操作系统生产者与消费者课程设计(18页).doc

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1、-操作系统课程设计生产者和消费者问题系 院：计算机科学系学生姓名：吴伟学 号：0734130101专 业：软件工程年 级：0701B完成日期：2009年11月指导教师：刘栓一、课程设计的性质与任务1、生产者-消费者问题是很经典很具有代表性的进程同步问题，计算机中的很多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题，通过本实验的练习，希望能加深学生对进程同步问题的认识与理解。2、熟悉VC的使用，培养和提高学生的分析问题、解决问题的能力。二、课程设计的内容及其要求1 实验内容以生产者/消费者模型为依据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线

2、程)的同步与互斥。2 实验要求l 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；l 学习了解Windows同步对象及其特性；l 熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；l 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥；l 提交实验报告。三、课程设计的时间安排课程设计时间 8课时四、课程设计的实验环境本实验是在winxpVC6.0环境下实现的，利用Windows SDK编制实例程序。所以试验需要在windows下安装VC后进行。VC是一个集成开发环境，其中包含了Windows SDK所有工具和定义；所以安装了VC后就不用特意安装SDK了。五、正文1、 实验程序的结构图（流程图）；开始P

3、roduceWait BufferWait ProductsConsume结束While produceWhile consume2、数据结构及信号量定义的说明；(1) CreateThreadl 功能创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程l 格式HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,DWORD dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParamiter,DWORD dwCreationFlags,Lpdword lpThread

4、 );l 参数说明lpThreadAttributes指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。dwStackSize定义原始堆栈大小。lpStartAddress指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。lpParamiter定义一个给进程传递参数的指针。dwCreationFlags定义控制线程创建的附加标志。lpThread保存线程标志符(32位)(2) CreateMutexl 功能创建一个命名或匿名的互斥量对象l 格式HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttrib

5、utes,BOOL bInitialOwner,LPCTSTR lpName);l 参数说明lpMutexAttributes必须取值NULL。bInitialOwner指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马上加锁)。lpName互斥量名称。(3) CreateSemaphorel 功能创建一个命名或匿名的信号量对象l 格式HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName );l 参数说明lpSema

6、phoreAttributes必须取值NULL。lInitialCount信号量的初始值。该值大于0，但小于lMaximumCount指定的最大值。lMaximumCount信号量的最大值。lpName信号量名称。(4) WaitForSingleObjectl 功能使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现(即其值大于等于1)或超过规定的等待时间l 格式DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);l 参数说明hHandle信号量指针。dwMilliseconds等待的最长时间(INFINITE为无限等待

7、)。(5) ReleaseSemaphorel 功能对指定信号量加上一个指定大小的量。成功执行则返回非0值l 格式BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,LONG lReleaseCount,LPLONG lppreviousCount );l 参数说明hSemaphore信号量指针。lReleaseCount信号量的增量。lppreviousCount保存信号量当前值。(6) ReleaseMutexl 功能打开互斥锁，即把互斥量加1。成功调用则返回0l 格式BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);l 参数说明hMutex互斥

8、量指针。(7) InitializeCriticalSectionl 功能初始化临界区对象l 格式VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。(8) EnterCriticalSectionl 功能等待指定临界区对象的所有权l 格式VOID enterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。(9) L

9、eaveCriticalSectionl 功能释放指定临界区对象的所有权l 格式VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。3、实验的步骤；(1) 打开VC，选择菜单项file-new,选择projects选项卡并建立一个名为 R_WP1的win32 console applicatoin工程；创建时注意指定创建该工程的目录；(2) 在工程中创建源文件 R_WP1.cpp：选择菜单项project-add to project-files，在选

10、择框中输入自己想要创建的文件名，这里是 R_WP1.cpp；在接下来询问是否创建新文件时回答yes；然后通过Workspace-FileView-Source Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存.(3) 通过调用菜单命令项build-build all进行编译连接,可以在指定的工程目录下得到debug- R_WP1.exe程序，然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。需要强调的是在创建数据文件时，由于涉及到文件格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要拷贝粘贴数据。4、 主要算法创建生产者和消费者线程for(i =0

11、;iserial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p)-delay *INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);/开始请求生产printf(Producer %2d sends the produce require.n,m_serial);/确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；wait_for_semaphore= WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);/互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥；wait_for_mutex = WaitForSingl

12、eObject(h_mutex,-1);int ProducePos = FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex);/生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下的写操作在生产者之间可以并发；/核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别;printf(Producer %2d begin to produce at position %2d.n,m_serial,ProducePos);Buffer_CriticalProducePos = m_serial;printf(Producer %2d finish produc

13、ing :n ,m_serial);printf( position %2d :%3d n ,ProducePos,Buffer_CriticalProducePos);/使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步；ReleaseSemaphore(h_Semaphorem_serial,n_Thread,NULL);消费者进程void Consume(void * p)/局部变量声明；DWORDwait_for_semaphore,m_delay;intm_serial,m_requestNum; /消费者的序列号和请求的数目；intm_thread_requestMAX_THRE

14、AD_NUM;/本消费线程的请求队列； /提取本线程的信息到本地；m_serial = (ThreadInfo*)(p)-serial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p)-delay *INTE_PER_SEC);m_requestNum = (ThreadInfo *)(p)-n_request;for (int i = 0;ithread_requesti;Sleep(m_delay);/循环进行所需产品的消费for(i =0;ithread_requesti =-1; if(!IfInOtherRequest(m_thread_requesti)Buffe

15、r_CriticalBufferPos = -1; /标记缓冲区为空；printf(Consumer%2d finish consuming %2d:n ,m_serial,m_thread_requesti);printf( position %2d :%3d n ,BufferPos,Buffer_CriticalBufferPos);ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL); elseprintf(Consumer %2d finish consuming product %2dn ,m_serial,m_thread_requesti); /离开

16、临界区 LeaveCriticalSection(&PC_CriticalBufferPos); 5、实验运行图；6、实验结果分析；只有在生产者生产了产品并将产品存放到缓冲池中消费者才能去消费，当缓冲池为空时消费者不能消费六、 结论（应当准确、完整、明确精练；也可以在结论或讨论中提出建议、设想、尚待解决问题等。）七、 参考文献【1】汤子瀛等.计算机操作系统.西安电子科技大学出版社.2007年2月【2】张尧学等编著，计算机操作系统教程，清华出版社。2002.2【3】严蔚敏，吴伟民编著，数据结构，清华大学出版社。2002【4】陈向群编著，操作系统教程，北京大学出版社，2001.07【5】郑莉等编著

17、，C+语言设计。北京：清华大学出版社.2000八、 指导教师评语 签名： 年 月 日课程设计成绩附：课程设计源代码：#include#include#include#include#include/定义常量；/此程序允许的最大临界区数；#define MAX_BUFFER_NUM10/秒到微秒的乘法因子；#define INTE_PER_SEC 1000/本程序允许的生产和消费线程的总数；#define MAX_THREAD_NUM 64/定义一个结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数struct ThreadInfointserial;/线程序列号charentity; /是P还是Cd

18、oubledelay;/线程延迟intthread_requestMAX_THREAD_NUM; /线程请求队列intn_request;/请求个数;/全局变量的定义/临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问；CRITICAL_SECTIONPC_CriticalMAX_BUFFER_NUM;int Buffer_CriticalMAX_BUFFER_NUM; /缓冲区声明，用于存放产品；HANDLE h_ThreadMAX_THREAD_NUM; /用于存储每个线程句柄的数组；ThreadInfoThread_InfoMAX_THREAD_NUM; /线程信息数组；HANDLEempty_

19、semaphore; /一个信号量；HANDLEh_mutex; /一个互斥量；DWORDn_Thread = 0; /实际的线程的数目；DWORDn_Buffer_or_Critical; /实际的缓冲区或者临界区的数目；HANDLEh_SemaphoreMAX_THREAD_NUM; /生产者允许消费者开始消费的信号量；/生产消费及辅助函数的声明void Produce(void *p);void Consume(void *p);bool IfInOtherRequest(int);int FindProducePositon();int FindBufferPosition(int);

20、int main(void)/声明所需变量；DWORDwait_for_all;ifstreaminFile;/初始化缓冲区；for(int i=0;i MAX_BUFFER_NUM;i+)Buffer_Criticali = -1;/初始化每个线程的请求队列；for(int j=0;jMAX_THREAD_NUM;j+)for(int k=0;kMAX_THREAD_NUM;k+)Thread_Infoj.thread_requestk = -1;Thread_Infoj.n_request = 0;/初始化临界区；for(i =0;i n_Buffer_or_Critical;inFile

21、.get();printf(输入文件是:n);/回显获得的缓冲区的数目信息；printf(%d n,(int) n_Buffer_or_Critical);/提取每个线程的信息到相应数据结构中；while(inFile)inFile Thread_Infon_Thread.serial;inFile Thread_Infon_Thread.entity;inFile Thread_Infon_Thread.delay;char c;inFile.get(c);while(c!=n& !inFile.eof() inFile Thread_Infon_Thread.thread_requestT

22、hread_Infon_Thread.n_request+; inFile.get(c);n_Thread+; /回显获得的线程信息，便于确认正确性；for(j=0;j(int) n_Thread;j+)int Temp_serial = Thread_Infoj.serial;char Temp_entity = Thread_Infoj.entity;double Temp_delay = Thread_Infoj.delay;printf( n thread%2d %c %f ,Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);int Temp_request =

23、Thread_Infoj.n_request;for(int k=0;kTemp_request;k+)printf( %d , Thread_Infoj.thread_requestk);coutendl;printf(nn); /创建在模拟过程中几个必要的信号量empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, semaphore_for_empty);h_mutex= CreateMutex(NULL,FALSE,mutex_for_update);/下面这个循环用线程的ID号来为

24、相应生产线程的产品读写时所/使用的同步信号量命名；for(j=0;j(int)n_Thread;j+) std:string lp =semaphore_for_produce_;int temp =j;while(temp)char c = (char)(temp%10);lp+=c;temp/=10;h_Semaphorej+1=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str();/创建生产者和消费者线程；for(i =0;i (int) n_Thread;i+)if(Thread_Infoi.entity =P)h_Threadi= CreateThre

25、ad(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),&(Thread_Infoi),0,NULL);else h_Threadi=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),&(Thread_Infoi),0,NULL);/主程序等待各个线程的动作结束；wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);printf( n nALL Producer and consumer have finished their w

26、ork. n);getch();return 0;/确认是否还有对同一产品的消费请求未执行；bool IfInOtherRequest(int req)for(int i=0;in_Thread;i+)for(int j=0;jThread_Infoi.n_request;j+)if(Thread_Infoi.thread_requestj = req)return TRUE;return FALSE;/找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置；intFindProducePosition()int EmptyPosition;for (int i =0;in_Buffer_or_Critica

27、l;i+)if(Buffer_Criticali = -1)EmptyPosition = i;/用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态；Buffer_Criticali = -2;break;return EmptyPosition;/找出当前所需生产者生产的产品的位置；int FindBufferPosition(int ProPos)int TempPos;for (int i =0 ;iserial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p)-delay *INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);/开始请求生产printf(Producer

28、 %2d sends the produce require.n,m_serial);/确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；wait_for_semaphore= WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);/互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥；wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);int ProducePos = FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex);/生产者在获得自己的空位置并做上标记后

29、，以下的写操作在生产者之间可以并发；/核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别;printf(Producer %2d begin to produce at position %2d.n,m_serial,ProducePos);Buffer_CriticalProducePos = m_serial;printf(Producer %2d finish producing :n ,m_serial);printf( position %2d :%3d n ,ProducePos,Buffer_CriticalProducePos);/使生产者写的缓冲区可以被多个消

30、费者使用，实现读写同步；ReleaseSemaphore(h_Semaphorem_serial,n_Thread,NULL);/消费者进程void Consume(void * p)/局部变量声明；DWORDwait_for_semaphore,m_delay;intm_serial,m_requestNum; /消费者的序列号和请求的数目；intm_thread_requestMAX_THREAD_NUM;/本消费线程的请求队列； /提取本线程的信息到本地；m_serial = (ThreadInfo*)(p)-serial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p

31、)-delay *INTE_PER_SEC);m_requestNum = (ThreadInfo *)(p)-n_request;for (int i = 0;ithread_requesti;Sleep(m_delay);/循环进行所需产品的消费for(i =0;ithread_requesti =-1; if(!IfInOtherRequest(m_thread_requesti)Buffer_CriticalBufferPos = -1; /标记缓冲区为空；printf(Consumer%2d finish consuming %2d:n ,m_serial,m_thread_requesti);printf( position %2d :%3d n ,BufferPos,Buffer_CriticalBufferPos);ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL); elseprintf(Consumer %2d finish consuming product %2dn ,m_serial,m_thread_requesti); /离开临界区 LeaveCriticalSection(&PC_CriticalBufferPos); -第 19 页-