燕山大学操作系统课程设计说明书(共16页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 燕山大学课程设计说明书课程设计名称：操作系统 题目：多道程序缓冲区协调操作 （模拟生产者消费者问题） 课题负责人： 学院： 信息科学与工程学院 班级： 姓名： 学号： 课题开发日期：2014年1月13日 自评成绩： A 目录1 概述-31.1 目的-31.2 主要完成的任务-31.3 使用的开发工具、开发语言-31.4 本软件解决的主要问题 -42 设计的基本理念、概念和原理-42.1 设计的基本理念-42.2 基本概念-42.3 基本原理-53 总体设计-53.1基本的技术路线：面向对象-53.2模块关系及总体流程-54 详细设计-74.1 变量设计-74.2 线

2、程的设计-74.3 button按钮的设计-85编码设计-95.1开发环境-95.2注意事项-95.3主要代码设计-9PUTTER线程的设计-9MOVER1线程的设计-10GETTER1线程的设计-11“开始”按钮的设计-12“结束”按钮的设计-145.4解决的主要难题-166测试出现的问题及其解决方案-167工程总结-168参考文献-16多道程序缓冲区协调操作演示程序设计说明书1 概述1.1 目的计算机操作系统是计算机系统中最不可缺少的，最常用的软件，也是核心的，最接近于计算机硬件的软件。其特点是内容繁多，概念抽象，因此造成理解困难，掌握不易。本软件的主要目的是通过直观的演示，使学生能够感性

3、的明白掌握多道程序及其进程同步和互斥的程序设计的基本方法。1.2 主要完成的任务(1) 可随机产生字符数据，由生产者的put操作不断将生产的字符数据放入容器1（Buffer1）中。(2) 通过搬运者的Move1操作要不断地将容器1（Buffer1）的数据取到容器2（Buffer2）中。(3) 通过搬运者的Move2操作要不断地将容器1（Buffer1）的数据取到容器3（Buffer3）中。(4) 通过消费者1的GET操作不断的从容器2（buffer2）中取出数据(5) 通过消费者2的GET操作不断地从容器3（Buffer3）中取出数据。(6) 生产者，搬运者，消费者的数目，buffer容量可自

4、己设定，但数目不宜过多；默认为生产者5，消费者1为5，消费者2为5，Move1为2，Move2为2，buffer1容量为10，buffer2容量为10，buffer3容量为10。(7) PUT、 Move1、Move2、 GET1，GET2每次操作一个数据，在操作的过程中数据不丢失,每个Buffer每次只能接受一个PUT或一个Move或一个Get，多个操作不能同时操作同一BUFFER。(8) 能够实时显示Buffer的操作过程，以及每个Buffer的当前放入的数据，每个buffer中的数据的个数。(9) 能够对生产者，搬运者，消费者的速度进行自由控制。(10) 当程序运行开始后，计时器就开始计

5、时，直到运行结束，显示运行的总时间。(11) 运行结束后，能够汇总总运行时时间、已生产产品数、消费者1已消费产品数、消费者2已消费的产品数、总消费的产品数。1.3使用的开发工具、开发语言开发工具：VS2010开发语言：C+C+是面向对象的一种编程语言，窗口程序设计中MFC已经将windows最底层的API函数以类的形式封装好，使用方便。 其特点有：1.面向对象； 2.平台无关性； 3.安全性； 4.健壮性；1.4本软件解决的主要问题对Buffer操作的多线程同步问题，利用操作系统的P、V原语操作和C+语言的Thread线程对put、move、get等多线程进行协调处理，实现了多线程并发执行的原

6、理。用程序演示了操作系统中经典的生产者和消费者问题。2 设计的基本理念、概念和原理2.1 设计的基本理念使用VS2010创建了一个基本对话框类，并在对话框中添加了基本需要的所有控件：（1） buffer1，buffer2，buffer3三个LISTBOX控件，用于显示各个buffer中的当前内容。（2） 添加了3个编辑框控件，分别用于对3个容器（buffer）容量的控制。（3） 添加1个编辑框控件用于输入数值确定线程执行速度。（4） 添加5个编辑框控件，用于对生产者，移动物流，消费者数量的控制。五个线程用于对buffer容器的控制（PUTTER，MOVER1，MOVER2，GETTER1，GE

7、TTER2）：（1） PUTTER线程产生随机字符，并放入buffer1中，实现生产者的生产过程。（2） MOVER1，MOVER2线程分别将buffer1中的数据移动至buffer2 和buffer3中。（3） GETTER1，GETTER2线程分别将buffer2和buffer3中的数据字符移出，实现消费者的消费过程。多个变量分别统计需要显示的数据：（1） 三个变量分别统计buffer1，buffer2，buffer3中的数据并实时显示出来。（2） 五个变量进行数据汇总，显示最后的运行总时间，生产者生产数量，消费者消费数量 。 通过MFC的对话框中按钮实现对所有线程的控制：（1） “开始”

8、按钮：开始所有线程，实现多线程程序同步。（2） “结束”按钮：结束所有线程，并显示数据汇总情况。2.2 基本概念面向对象，进程，线程，线程的同步，线程的互斥，多道程序。2.3 基本原理经典的生产者与消费者同步原理，通过互斥体和互斥信号来实现线程的等待，线程间的同步问题，线程之间的协调的问题。3.总体设计3.1基本的技术路线：面向对象运用面向对象的设计理念，设计所要求的PUTTER，MOVER1，MOVER2,GETTER1，GETTER2五个线程，达到信号量的控制，变量的值确定，实现BUFFER一次只能操作一个动作，实现线程的同步，阻塞以及他们之间的协调问题。Pca对话框类：主界面设计、显示数

9、据、过程演示PUTTER线程：生产者：执行put操作MOVER1线程：搬运者1：执行move1操作GETTER1线程：消费者1:执行get 操作MOVER2线程：搬运者2：执行move2操作GETTER2线程：消费者2：执行get操作3.2 模块关系及总体流程 图1. 模块关系参数设定（或使用默认数据）开始运行（速度控制）结束动态显示每个buffer中的字符数据内容，移动过程以及数量数据汇总显示退出 图2.总体流程4.详细设计 4.1变量设计 g_hMutex1，g_hMutex2，g_hMutex3：三个互斥体，分别控制一次只能对buffer实现一次操作。 g_hFullItems1，g_h

10、FullItems2，g_hFullItems3 g_hEmptyItems1，g_hEmptyItems2，g_hEmptyItems3： 六个信号量，分别控制buffer中是否有空闲空间以及是否有数据可供移动，并进行互斥操作。 clock_t类型的 start,finish变量，通过调用clock（）函数得到线程运行的总时间。 struct PThread int ptid; CpacDlg * dlg; 定义线程的结构体，用于线程通过结构体参数调用窗口类，从而实现线程对窗口的控制。 SIZE_1, SIZE_2, SIZE_3：编辑框控件添加的变量，从而实现动态对容器buffer容量的控

11、制。 SPEED：控件添加的变量，实现对线程速度的控制。 Produce_Num ,Consumer1_Num ,Consumer2_Num ,Move1_Num ,Move2_Num：控件添加的变量，实现对生产者，消费者，物流移动数量的控制。 Con1_Num ,Pro_Num ,Con2_Num ,Con_Num：控件添加的变量，实现最终的数据统计汇总显示。 Buffer1，buffer2，buffer3：ListBox控件添加的控制变量，用于显示各个buffer中的字符数据内容。4.2线程的设计 PUTTER线程产生随机字符，并放入buffer1中，实现生产者的生产过程。 DWORD W

12、INAPI PUTTER(LPVOID para)/PUT线程其参数为 LPVOID para ，在创建线程时通过P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread0,0,&putIDi); 语句，第四个参数传递了结构体参数，将当前对话框窗口类指针传递给线程函数，通过PThread * pthread = (PThread *)para;/规范化参数CpacDlg * dlg = pthread-dlg; 语句来实现对当前对话框窗口中所有参数的调用。 MOVER1，MOVER2，GETTER1，GETTER2线程与PUTTER线程类

13、似。4.3 button按钮的设计 “开始”按钮： 创建每个互斥体，互斥信号以及线程。 void CpacDlg:OnBnClickedButton1()/ TODO: 在此添加控件通知处理程序代码UpdateData(1);g_hMutex1 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/buff1互斥锁 g_hFullItems1 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_1,NULL); /buff1信号量 g_hEmptyItems1 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_1, SIZE_1,NULL); 。 。 /创建PUT

14、线程 for (int i=0;iProduce_Num;+i)pthread0.dlg = this;pthread0.ptid = i; P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread0,0,&putIDi);/if(P_hThreadsi = NULL) MessageBox(TEXT(线程创建错误！); 。 。 “结束”按钮： 结束每一个线程，并进行数据汇总显示到对话框上。void CpacDlg:OnBnClickedButton2() / TODO: 在此添加控件通知处理程序代码/UpdateData(1);DWOR

15、D KP_Thread10;for(int i=0;idlg;int i = pthread-ptid;int j=dlg-SPEED;int speed = 1000*j;LARGE_INTEGER nFrequency;/设置随机数的种子 if(:QueryPerformanceFrequency(&nFrequency) / 如果支持高性能精度计数器，则使用其初始化随机种子(微秒级) LARGE_INTEGER nStartCounter; :QueryPerformanceCounter(&nStartCounter); :srand(unsigned)nStartCounter.Lo

16、wPart); else / 否则使用当前系统时间初始化随机种子(毫秒级) :srand(unsigned)time(NULL); while(true) CString buf; WaitForSingleObject(g_hEmptyItems1,INFINITE); /进行P操作 WaitForSingleObject(g_hMutex1,INFINITE); /产生随机字符（A-Z）char ch;ch = char ( (rand() % 26) + 65 );buf.Format(_T(put-%c),ch);dlg-buffer1.InsertString(0,buf);dlg-

17、Pro_Num+;/确定生产总数量int buf1c;/确定当前buffer1中的产品数量CString str;buf1c = dlg-buffer1.GetCount();str.Format(_T(%d个),buf1c);dlg-Buffer_C.SetWindowTextW(str); /在窗口中显示当前buffer1的数据数量 :Sleep(speed); /速度设置ReleaseMutex(g_hMutex1); /进行V操作ReleaseSemaphore(g_hFullItems1,1,NULL); return 0;MOVER1线程的设计：DWORD WINAPI MOVER

18、1(LPVOID para)/MOVE1线程PThread * pthread = (PThread *) para; /规范化参数CpacDlg * dlg = pthread-dlg;int i = pthread-ptid;int j=(dlg-SPEED);int speed =1000*j;while(true) WaitForSingleObject(g_hFullItems1,INFINITE); /进行P操作 WaitForSingleObject(g_hEmptyItems2,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex1,INFINITE)

19、; WaitForSingleObject(g_hMutex2,INFINITE); /将buffer1中的数据移至buffer2中 CString cs; int n; n = dlg-buffer1.GetCount(); dlg-buffer1.GetText(n-1,cs); dlg-buffer1.DeleteString(n-1); CString cc; cc.Format(_T(move1-); cs = cc + cs; dlg-buffer2.InsertString(0,cs); int buf1c;/确定当前buffer1中的产品数量 CString str; buf1

20、c = dlg-buffer1.GetCount(); str.Format(_T(%d个),buf1c); dlg-Buffer_C.SetWindowTextW(str); /显示当前buffer1中的产品数量 int buf2c;/确定当前buffer2中的产品数量 CString str1; buf2c = dlg-buffer2.GetCount(); str1.Format(_T(%d个),buf2c); dlg-Buf_C1.SetWindowTextW(str1); /显示当前buffer2中的产品数量 :Sleep(speed); /设置速度 ReleaseMutex(g_h

21、Mutex2); /进行V操作 ReleaseMutex(g_hMutex1); ReleaseSemaphore(g_hFullItems2,1,NULL); ReleaseSemaphore(g_hEmptyItems1,1,NULL); return 0;GETTER1线程的设计：DWORD WINAPI GETTER1(LPVOID para) /GET1线程PThread * pthread = (PThread *)para;/规范化参数CpacDlg * dlg = pthread-dlg;int i = pthread-ptid;int j=(dlg-SPEED);int sp

22、eed =1000*j ;while(true)WaitForSingleObject(g_hFullItems2,INFINITE); /进行P操作WaitForSingleObject(g_hMutex2,INFINITE); /移出buffer2中的数据 CString cs; int n; n = dlg-buffer2.GetCount(); dlg-buffer2.GetText(n-1,cs); dlg-buffer2.DeleteString(n-1); dlg-Con1_Num = dlg-Con1_Num + 1; /消费者1消费的产品数量加1 int buf2c; /确定

23、当前buffer2中的产品数量 CString str1; buf2c = dlg-buffer2.GetCount(); str1.Format(_T(%d个),buf2c); dlg-Buf_C1.SetWindowTextW(str1); :Sleep(speed); /设置速度ReleaseMutex(g_hMutex2); /进行V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptyItems2,1,NULL);return 0; “开始”按钮的设计：void CpacDlg:OnBnClickedButton1()/ TODO: 在此添加控件通知处理程序代码UpdateData(

24、1);g_hMutex1 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/buff1互斥锁 g_hFullItems1 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_1,NULL); /buff1信号量 g_hEmptyItems1 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_1, SIZE_1,NULL);g_hMutex2 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullItems2 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_2,NULL); /buff2互斥锁 g_hEmptyItems2

25、 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_2, SIZE_2,NULL);g_hMutex3 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullItems3 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_3,NULL); /buff3互斥锁 g_hEmptyItems3 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_3, SIZE_3,NULL);start = clock(); /获得线程开始时间 /创建PUT线程 for (int i=0;iProduce_Num;+i)pthread0.dlg = this;pt

26、hread0.ptid = i; P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread0,0,&putIDi);/if(P_hThreadsi = NULL) MessageBox(TEXT(线程创建错误！); /创建MOVE1和MOVE2线程 for(int j=0;jMove1_Num;+j)pthread1.dlg = this;pthread1.ptid = j; M1_hThreadsj =CreateThread(NULL,0,MOVER1,(LPVOID)&pthread1,0,&move1IDj);if(M1_hThr

27、eadsj = NULL) MessageBox(TEXT(线程创建错误！); for(int k=0;kMove2_Num;+k)pthread2.dlg = this;pthread2.ptid = k; M2_hThreadsk =CreateThread(NULL,0,MOVER2,(LPVOID)&pthread2,0,&move2IDk);if(M2_hThreadsk = NULL) MessageBox(TEXT(线程创建错误！); /创建GET1和GET2线程for (int m=0;mConsumer1_Num;+m)pthread3.dlg = this;pthread3

28、.ptid = m; C1_hThreadsm =CreateThread(NULL,0,GETTER1,(LPVOID)&pthread3,0,&get1IDm);if(C1_hThreadsm = NULL) MessageBox(TEXT(线程创建错误！); for (int n=0;nConsumer2_Num;+n)pthread4.dlg = this;pthread4.ptid = n; C2_hThreadsn =CreateThread(NULL,0,GETTER2,(LPVOID)&pthread4,0,&get2IDn);if(C2_hThreadsn = NULL) M

29、essageBox(TEXT(线程创建错误！); “结束”按钮的设计：void CpacDlg:OnBnClickedButton2() / TODO: 在此添加控件通知处理程序代码/UpdateData(1);DWORD KP_Thread10;for(int i=0;iProduce_Num;i+)/GetExitCodeThread(P_hThreadsi,&KP_Threadi);TerminateThread(P_hThreadsi,KP_Threadi); /结束线程/ExitThread(KP_Threadi);DWORD KM1_Thread1;for(int i=0;iMov

30、e1_Num;i+)/GetExitCodeThread(M1_hThreadsi,&KM1_Threadi);TerminateThread(M1_hThreadsi,KM1_Threadi);/ExitThread(KM1_Threadi);DWORD KM2_Thread1;for(int i=0;iMove2_Num;i+)/GetExitCodeThread(M2_hThreadsi,&KM2_Threadi);TerminateThread(M2_hThreadsi,KM2_Threadi);/ExitThread(KM2_Threadi);DWORD KC1_Thread10;f

31、or(int i=0;iConsumer1_Num;i+)/GetExitCodeThread(C1_hThreadsi,&KC1_Threadi);TerminateThread(C1_hThreadsi,KC1_Threadi);DWORD KC2_Thread10;for(int i=0;iConsumer2_Num;i+)TerminateThread(C1_hThreadsi,KC2_Threadi);double duration;finish = clock(); /得到线程结束时间duration = double (finish - start)/ CLOCKS_PER_SE

32、C); /得到线程运行总时间CString str4;str4.Format(_T(%2.4f秒),duration);CLOCK.SetWindowTextW(str4); /输出线程运行总时间CString str;str.Format(_T(%d个),Pro_Num);Pro_NUM.SetWindowTextW(str); /输出生产者最终生产总数CString str1;str1.Format(_T(%d个),Con1_Num);Con1_NUM.SetWindowTextW(str1); /输出消费者1消费产品总数CString str2;str2.Format(_T(%d个),C

33、on2_Num);Con2_NUM.SetWindowTextW(str2); /输出消费者2消费产品总数CString str3;Con_Num = Con1_Num + Con2_Num;str3.Format(_T(%d个),Con_Num);Con_NUM.SetWindowTextW(str3); /输出总消费产品数量5.4 解决的主要难题(1) 生产搬运消费的过程显示；(2) 多线程之间的同步、互斥问题；(3) Buffer的数据的安全问题；(4) 程序运行时间显示问题(5) 对各个线程放入取出速度的任意控制问题；6 测试出现的问题及其解决方案（1） 测试过程中出现了多个Put、Move或get不能互斥的访问Buffer，通过查阅书籍