消费者生产者问题计算机操作系统课程设计.docx
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消费者生产者问题计算机操作系统课程设计
齐齐哈尔大学
操作系统课程综合实践
题目：
多进程同步方法解决生产
者一消费者问题
班级：
__0
姓名：
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学号：
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指导教师：
__0
2011年12月7日
综合实践评分表
班级
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姓名
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指导教师
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题目：
多进程同步方法解决生产者一消费者问题
评分标准
评分标准
分数权重
评分的依据
得分
A
C
选题
10
选题符合大纲要求，题目较新颖，工作量大
选题基本符合大纲要求，工作量适中
工作态度
10
态度端正，能主动认真完成各个环节的工作，不迟到早退，出勤好。
能够完成各环节基本工作，出勤较好。
存储结构、算法描述
20
能正确选择存储结构，定义准确，算法流程图或类C谛言描述的算法准确无误
能止确选择存储结构，算法流程图或类C语言描述的算法基本准确
独立解决问题的能力
10
具有独立分析、解决问题能力，有f的创造性，能够独立完成软件的设计与调试工作，程序结构清晰，逻辑严谨，功能完善。
有aE的分析、斛决问题能力。
能够在老师指导下完成软件的设计与调试工作，程序功能较完善。
答辨问题回答
20
能准确回答老师提出的问题
能基本准确回答老师提出的问题
程序运行情况
10
程序运行止确、界面清晰，测试数据设计合理。
程序运行止确、界面较清晰，能给出合适的测试数据。
综合实践报告
20
格式规范，层次清晰，设计思想明确，解决问题方法合理，体会深刻。
格式较规范，设计思想基本明确，解决问题方法较合理。
总分
指导教师（签字）：
注：
介于A和C之间为B级，低于C为D级和E级。
按各项指标打分后,
总分在90〜100为优，80〜89为良，70〜79为中，60〜69为及格，60分以下为不及格。
多进程同步方法解决生产者－消费者问题
摘要：
本文论述了多进程同步方法解决生产者－消费者问题的过程。
该程序使学生对操作系
统的工作机制有了初步的了解，其主要目的是使学生了解和撑握在Linux系统平台下的C
语言编程，用来解决实现生活中遇到的问题。
并以Linux系统开发平台，以及虚拟机来实现。
关键字：
生产者－消费者问题，Linux系统平台，虚拟机，信号量，线程（thread）
多进程同步方法解决生产者-消费者问题
一、课程设计所需设备
计算机一台，RedHatlinux9.03系统一套。
二、课程设计预期目的
通过研究Linux的进程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控
制。
三、课程设计任务
用多进程同步方法解决生产者-消费者问题
设计目的:
通过研究Linux的进程机制和信号量实现生产者消费者问题
的并发控制.
说明:
有界缓冲区内设有20个存储单元,放入/取出的数据项设定为1-20
这20个整型数.
设计要求:
1）每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后,即时显示有界缓冲区
的全部内容,当前指针位置和生产者/消费者线程的标识符.
2）生产者和消费者各有两个以上.
3）多个生产者或多个消费者之间须有共享对缓冲区进行操作的函数代
码.
四、课程设计基本思想
多进程是一种非常简洁的多任务操作方式。
在Linux系统下，启动一个
新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码
段、堆栈段和数据段，这是一种烦琐的多任务工作方式。
生产者-消费者方案是多进程应用程序开发中最常用的构造之一。
因此困
难也在于此。
因为在一个应用程序中可以多次重复生产者-消费者行为，其代
码也可以如此。
设计中创建了Consumer类，该类通过在一些多进程应用程
序中促进代码重用以及简化代码调试和维护来解决这个问题。
多进程应用程
序通常利用生产者-消费者编程方案，其中由生产者进程创建重复性作业，将
其传递给作业队列，然后由消费者进程处理作业。
多进程是一种使应用程序能同时处理多个操作的编程技术。
通常有两种
不同类型的多进程操作使用多个进程：
适时事件，当作业必须在特定的时间
或在特定的间隔内调度执行时；后台处理，当后台事件必须与当前执行流并
行处理或执行时；适时事件的示例包括程序提醒、超时事件以及诸如轮询和
刷新之类的重复性操作。
后台处理的示例包括等待发送的包或等待处理的已
接收的消息。
生产者-消费者方案很适合于后台处理类别的情况。
这些情况通常围绕一
个作业“生产者”方和一个作业“消费者”方。
当然，关于作业并行执行还
有其它考虑事项。
在大多数情况下，对于使用同一资源的作业，应以FCFS的
方式按顺序处理，这可以通过使用单进程的消费者轻松实现。
通过使用这种
方法，使用单个进程来访问单个资源，而不是用多个进程来访问单个资源。
要启用标准消费者，当作业到来时创建一个作业队列来存储所有作业。
生产
者进程通过将新对象添加到消费者队列来交付这个要处理的新对象。
然后消
费者进程从队列取出每个对象，并依次处理。
当队列为空时，消费者进入休
眠。
当新的对象添加到空队列时，消费者会醒来并处理该对象。
五．详细设计
5.1、调试问题分析
为解决生产者/消费者问题，应该设置两个资源信号量，其中一个表示空
缓冲区的数目，用Full表示，其初始值为有界缓冲区的大小BUFFER_NU；M
另一个表示缓冲区中产品的数目，用Empty表示，其初始值为0o另外，由
于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以还需要再设置一个互斥
信号量Mutex,起初值为1。
在生产者/消费者问题中，信号量实现两种功能。
首先，它是生产产品和
消费产品的计数器，计数器的初始值是可利用的资源数目（有界缓冲区的长
度）。
其次，它是确保产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器。
生产者要生产一个产品时，首先对资源信号量Full和互斥信号量Mutex
进行P操作，申请资源。
如果可以通过的话，就生产一个产品，并把产品送
入缓冲区。
然后对互斥信号量Mutex和资源信号量Empty进行V操作，释放
资源。
消费者要消费一个产品时，首先对资源信号量Empty和互斥信号量Mutex
进行P操作，申请资源。
如果可以通过的话，就从缓冲区取出一个产品并消
费掉。
然后对互斥信号量Mutex和资源信号量Full进行V操作，释放资源如果缓冲区中已经没有可用资源，就把申请资源的进程添加到等待队列
的队尾。
如果有一个资源被释放，在等待队列中的第一个进程被唤醒并取得这个资源的使用权。
5.2、程序流程图
生产者流程结构
图二消费者流程结构
5.3程序自定义函数
1、voidproduce（structsem_info*）;
这个函数是生产者进行的生产过程，为所有的生产者所共享。
结构体指
针用来接收生产者线程创建时传来的生产者的个人信息。
2、voidconsumer（structsem_info*）;
这个函数是消费者进行的生产过程，为所有的消费者所共享。
结构体指
针用来接收消费者线程创建时传来的消费者的个人信息。
3、voidsetproduce（void）;
这个函数是用来设置生产者的个数和他们的名字。
4、voidsetconsumer（void）;
这个函数是用来设置消费者的个数和他们的名字。
5、voidactivepthread（int）;
这个函数是用来创建生产者线程，int型参数为生产者的个数。
6、voidactivecthread（int）;
这个函数是用来创建生产者线程，int型参数为生产者的个数。
7、intgettime（void）;
这个函数返回来一个整数，作为线程的sleep（）函数的参数。
8、voidmyscanf（void）;
这个函数用来获取设置生产者和消费者的个数时的整数，确保这个数字
在0至UMAX_BUFFEER问。
5.4、系统函数调用
线程
Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。
编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。
Linux下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。
clone（）是Linux所特有的系统调用，它的使用方式类似fork。
函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：
externintpthread_create__P（（pthread_t*__thread,__const
pthread_attr_t*__attr,
void*（*__start_routine）（void*）,void*__arg））;
第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三
个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。
第二
个参数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。
当创建线程成功时，
函数返回0，若不为0则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为EAGAIN
和EINVAL前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程属性值非法。
创建线程成功后，新创建的线程则运
行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。
函数pthread_join用来等待一个线程的结束。
函数原型为：
externintpthread_join__P（（pthread_t__th,void
**__thread_return））;
第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它
可以用来存储被等待线程的返回值。
这个函数是一个线程阻塞的函数，调用
它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程
的资源被收回。
一个线程的结束有两种途径，一种是函数结束了，调用它的
线程也就结束了；另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。
它的函数原
型为：
externvoidpthread_exit__P（（void*__retval））__attribute__
（（__noreturn__））;
唯一的参数是函数的返回代码，只要pthread_join中的第二个参数thread_return不是NULL这个值将被传递给thread_return。
最后要说明的是，一个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返
回，其余调用pthread_join的线程则返回错误代码ESRCH
信号量
信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。
当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。
只有当信号量值大于0时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。
函数sem_trywait（）和函数pthread_mutex_trylock（）起同样的作用，它是
函数sem_wait（）的非阻塞版本。
它们都在头文件
/usr/include/semaphore.h中定义。
信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。
函数sem_init
（）用来初始化一个信号量。
它的原型为：
externintsem_init__P（（sem_t*__sem,int__pshared,unsignedint
__value））;
sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为0时此信号量在进程间共
享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。
函数sem_post（sem_t*sem）用来增加信号量的值。
当有线程阻塞在这个信
号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由
线程的调度策略决定的。
函数sem_wait（sem_t*sem）被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于
0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。
函数
sem_trywait（sem_t*sem）是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。
函数sem_destroy（sem_t*sem）用来释放信号量sem。
六．源程序清单
6.1、源程序
#include
#include
#include
#include
typedefHANDLESemaphore;//信号量的Window嫄型
#defineP（S）WaitForSingleObject（S,INFINITE）//定义
Windows^的P操作
#defineV（S）ReleaseSemaphore（S,1,NULL）//定义Windows下的V操作
#definerate1000
#defineCONSUMER_NUM2/*消费者个数*/
#definePRODUCER_NUM3/*生产者个数*/
#defineBUFFER_NUM20/*缓冲区个数*/
char*thing[8]={"鸡腿堡"，"薯条"，"可乐"，"三明治"，"面包"，"
小笼包"，"火腿"，"馒头"};〃生产和消费的产品名称
structBuffer
{
intproduct[BUFFER_NUM];//缓冲区
intstart,end;//两个指针相当于教材中的in
out指针}g_buf;
SemaphoreEmpty,Full,Mutex;//分别相当于Empty,Full,
Mutex三个信号量
/**************消费者线程*****************************/DWORDWINAPIConsumer（LPVOIDpara）
{
//i表示第i个消费者
inti=*（int*）para;〃利用para传入当前消费者的编号
intptr;//待消费的内容的指针
printf（"消费者％化：
需要资源\n",i）;
intj=0;
while（j++<4）{
//等待产品
P（Full）;
//有产品，先锁住缓冲区
P（Mutex）;
//记录消费的物品
ptr=g_buf.start;
//再移动缓冲区指针
g_buf.start=（g_buf.start+1）%BUFFER_NUM;
//让其他消费者或生产者使用
printf（"消费者％01d:
我需要buf[%d]=%s\n",i,ptr,thing[g_buf.product[ptr]]）;
〃彳肖费完毕，并释放一个缓冲
printf（"消费者％01d:
我消费完毕％s\n",
i,thing[g_buf.product[ptr]]）;
V（Mutex）;
V（Empty）;
Sleep（rate*rand（）%10+110）;
}
return0;
}
/****************
生产者线程
******************************
**/
DWORDWINAPIProducer（LPVOIDpara）{
inti=*（int*）para-CONSUMER_NUM;
intptr;
intdata;〃产品
intj=0;
while（j++<4）
{
data=rand（）%8;
printf（"生产者%01d:
生产出：
％s!
\n",i,thing[data]）;
//等待存放空间
P（Empty）;
//有地方，先锁住缓冲区
P（Mutex）;
//记录消费的物品
ptr=g_buf.end;
//再移动缓冲区指针
g_buf.end=（g_buf.end+1）%BUFFER_NUM;
printf（"不产者%0化：
放到缓冲区
buf[%d]=%s\n",i,ptr,thing[data]）;
g_buf.product[ptr]=data;
一//放好了完毕，释放一个产品
//让其他消费者或生产者使用
V（Mutex）;
V（Full）;
Sleep（rate/2*rand（）%10+110）;
}
return0;
}
intmain（intargc,char*argv口）
{
//线程技术，前面为消费者线程，后面为生产者线程
HANDLEhThread[CONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM];〃线
srand（time（NULL））;
rand（）;
DWORDtid;
inti=0;
//初始化信号量
Mutex=CreateSemaphore（NULL,1,1,"MutexOfConsumerAndProducer"）;
Empty=CreateSemaphore（NULL,BUFFER_NUM,BUFFER_NUM,"BufferSemaphone"）;
Full=CreateSemaphore（NULL,0,BUFFER_NUM'ProductSemaphone"）;
if（!
Empty||!
Full||!
Mutex）
{
printf（"CreateSemaphoneError!
\n"）;
return-1;
}
inttotalThreads=CONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM;
//开启消费者线程
printf（"先请消费者上席！
\n"）;
for（i=0;i{
hThread[i]=CreateThread（NULL,0,Consumer,&i,0,&tid）;
if（hThread[i]）WaitForSingleObject（hThread[i],10）;
}
printf（"生产者就位！
\n"）;
for（;i{
hThread[i]=CreateThread（NULL,0,Producer,&i,0,&tid）;
if（hThread[i]）WaitForSingleObject（hThread[i],10）;
}
//生产者和消费者的执行
WaitForMultipleObjects（totalThreads,hThread,TRUE,INFINITE）;return0;
}
6.2、编译及运行结果
在程序中设置了两个消费者，三个生产者，为便于描述出生产-消费的
过程，我用食物代表被缓冲区消费的资源。
在实验结果中我们可以看到几个生产者生产的食物放在缓冲区中，消费者需求的话就去缓冲区去取。
在同一个时间点上不必生产者生产一个消费者就消费一个，消费者某个时间消费的资源有可能是上一个生产者所生产的。
由于按题目要求设置的缓冲区为20,
所以缓冲区没有溢出到等待消费者消费的情况。
图三运行结果
七.课程设计总结
本次课程设计通过模拟计算机操作系统中经典的“生产者一消费者问
题”，巩固了我在操作系统原理课上所学的知识，加深了对操作系统中进程同步和互斥等问题，完成了多进程同步方法解决生产者-消费者问题全部过程，结果满足设计要求。
设计过程中遇到不少困难，在反复研究老师的PPT及课本的原理后才逐
渐明晰怎样将代码实现，虽然这学期学过Java,但java不是很熟悉，因此
还是选择C+邮言。
以前学习C+般有深入了解到线程这个概念，在学习Java的时候才知道有专门的线程类。
所以我在网上也参考了其他人用C+编写尤
其是关于多进程程序的设计实现。
在代码的实现过程中，我是主要定义了两
个函数DWORDWINAPIConsumer（LPVOIDpara）和DWORDWINAPIProducer（LPVOIDpara）,在这两个函数中实现PV操作。
通过本次设计，我较好地掌握了通过研究Linux的进程机制和信号量实
现生产者消费者问题的并发控制全过程，尤其是对多进程程序设计方法有了
更深的理解，开拓了思路，锻炼了实践动手能手。
但是我觉得课程设计的时
间有点短，中间又夹杂着好几场考试，所以没能做出界面以便于直观的观察
出详细过程，只是用代码实现了要描述的功能且达到了要求，所以改进的空间还比较大。
参考文献
[1]汤子瀛．《计算机操作系统》（修订版）．西安电子科技大学出版社，2001。
[2]计算机操作系统教程.孙钟秀等编著.高等教育出版社,2010年8月出版
[3]数据结构教程.李春葆等编著清华大学出版社.2009年4月
[4]面向对象程序设计与VisualC++6.0教程陈天华编著清华大学出版
社.2009年7月
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