1、課 程 設 計 報 告課程名稱：操作系統課程設計設計題目：生產者消費者問題系別：計算機系專業：計算機科學與技術組別：第二組學生姓名：學號起止日期： 2010 年 7 月 18 日 2010 年 7 月 23 日指導教師：1 目錄1.概述. 2 1.1 問題描述 . 2 1.2 開發計劃 . 2 1.3 開發環境及開發工具 . 2 2.需求分析 . 2 2.1 設計任務 . 2 2.2 設計思想 . 2 2.3 設計要求 . 3 3.概要設計 . 3 3.1 方法及原理 . 3 3.2 流程圖 . 4 4.詳細設計 . 4 4.1 數據結構及信號量說明 . 4 4.2 部分代碼 . 5 5.測試

2、結果 . 8 6.結果分析 . 9 7.總結和體會 . 9 致謝. 9 參考文獻 . 10 2 1.概述1.1 問題描述以生產者 / 消費者模型為依據，在windows xp環境下創建一個控制臺進程，在該進程中創建 n 個線程模擬生產者和消費者，實現進程( 線程) 的同步與互斥。1.2 開發計劃第一天：完成整體的規劃工作，用什么方法，能完成什么工作，如何設計構造方法；第二天：完成操作界面的設計與編碼，設計一個美觀，易于操作的界面；第三天：完成并發設計內核的結構與實現工作；第四天：基本完成程序設計工作；第五天：完成代碼的優化工作，添加一些功能；第六天：完成實驗報告；第七天：交給老師審核。1.3

3、開發環境及開發工具硬件：普通 pc386以上微機；一張軟盤或u盤。軟件：操作系統： windows 2000/xp。開發工具： vc+6.0 。 vc是一個集成開發環境，其中包含了windows sdk 所有工具和定義。2.需求分析2.1 設計任務(1) 掌握基本的同步與互斥算法，理解生產者消費者模型。(2) 學習使用 windows 2000/xp中基本的同步對象，掌握相關api 使用方法。(3) 了解 windows 2000/xp中多線程的并發執行機制，實現進程同步與互斥。2.2 設計思想生產者消費者問題是一種同步問題的抽象描述。計算機系統中的每個進程都可以消費或生產某類資源。當系統中某

4、一進程使用某一資源時，可以看作是消耗，且該進程稱為消費者。3 而當某個進程釋放資源時，則它就相當一個生產者。在同一時刻只能有一個生產者或一個消費者使用緩沖區，有互斥信號量可以控制各個生產者和消費者之間互斥，使得生產和消費的工作能夠有序的進行，而不至于發生死鎖。通過一個有界緩沖區 ( 用數組來實現，類似循環隊列) 把生產者和消費者聯系起來。假定生產者和消費者的優先級是相同的，只要緩沖區未滿， 生產者就可以生產產品并將產品送入緩沖區。類似地，只要緩沖區未空， 消費者就可以從緩沖區中去走產品并消費它。 應該禁止生產者向滿的緩沖區送入產品，同時也應該禁止消費者從空的緩沖區中取出產品，這一機制有生產者線

5、程和消費者線程之間的互斥關系來實現。2.3 設計要求1)每個生產者和消費者對有界緩沖區進行操作后，即時顯示有界緩沖區的全部內容、當前指針位置和生產者消費者線程的標識符。2)生產者和消費者各有兩個以上。3)多個生產者或多個消費者之間須共享對緩沖區進行操作的函數代碼。3.概要設計3.1 方法及原理1閱讀操作系統的進程管理章節內容，對進程的同步和互斥，以及信號量機制有深入理解。著名的生產者消費者問題是典型的進程同步問題，操作系統中實現進程同步的常用機制有信號量和pv操作等。除賦初值外，信號量僅由同步原語p和 v對其進行操作， pv操作的不分割性確保執行的原子性及信號量值的完整性。信號量按用途分兩種：

6、（1）公用信號量，用于實現進程互斥；（2）私有信號量，多用于并發進程同步。按取值又分兩種：（1）兩元信號量，主要用于解決進程互斥問題；（2）一般信號量，主要解決進程同步問題。4 2掌握 visual c+ 6.0語言的使用。 c+語言是從 c語言發展演變的一種面向對象的程序設計語言，主要特點變現在兩方面：一是全面兼容c；二是支持面向對象的方法。面向對象的方法將數據及對數據的操作方法封裝在一起，作為一個相互依存、不可分割的整體對象。對同類型對象抽象出共性，形成類。類中的大多數數據，只能用本類的方法進行處理。類通過一個簡單的外部接口，與外界發生關系，對象與對象間通過消息進行通信。同時，通過繼承與多

7、態性，使程序具有很高的可重用性，使得軟件的開發和維護都更為方便。3.2 流程圖4.詳細設計4.1 數據結構及信號量說明（1）程序中的主要的結構void produce(void *p); 圖 3-1 流程圖輸入數據創建“生產者”線程緩沖區是否阻塞n 創建“消費者”線程y “生產者”生產產品后被喚醒n y 緩沖區是否為空“消費者”阻塞“生產者”等待，“消費者”取出緩沖區數據5 void consume(void *p); bool ifinotherrequest(int); int findproducepositon(); int findbufferposition(int); int m

8、ain(void) （2）信號量定義如下：#define max_buffer_num 10 /本程序允許的最大臨界區數；#define inte_per_sec 1000 /秒到微秒的乘法因子；#define max_thread_num 64 / 本程序允許的生產和消費線程的總數；int buffer_criticalmax_buffer_num; /緩沖區聲明，用于存放產品；handle h_threadmax_thread_num; / 用于存儲每個線程句柄的數組；threadinfo thread_infomax_thread_num; /線程信息數組；handle empty_se

9、maphore; / 一個信號量；handle h_mutex; / 一個互斥量；dword n_thread = 0; /實際的線程的數目；dword n_buffer_or_critical; /實際的緩沖區或者臨界區的數目；handle h_semaphoremax_thread_num; /生產者允許消費者開始消費的信號量；4.2 部分代碼（1）創建生產者和消費者線程for(i =0;iserial; m_delay = (dword)(threadinfo*)(p)-delay *inte_per_sec); sleep(m_delay); /開始請求生產printf( 生產者 %d

10、 發出生產請求 .n,m_serial); /確認有空緩沖區可供生產， 同時將空位置數 empty 減 1；用于生產者和消費者的同步；wait_for_semaphore = waitforsingleobject(empty_semaphore,-1); /互斥訪問下一個可用于生產的空臨界區，實現寫寫互斥；wait_for_mutex = waitforsingleobject(h_mutex,-1); int producepos = findproduceposition(); releasemutex(h_mutex); /生產者在獲得自己的空位置并做上標記后，以下的寫操作在生產者之間

11、可以并發；/核心生產步驟中， 程序將生產者的id 作為產品編號放入， 方便消費者識別 ; printf( 生產者 %d 開始生產，并且把其產品放在位置%2d.n,m_serial, producepos); buffer_criticalproducepos = m_serial; printf( 生產者 %2d 生產完畢 .n ,m_serial); printf( 位置%2d:%3d n ,producepos,buffer_criticalproducepos); /使生產者寫的緩沖區可以被多個消費者使用，實現讀寫同步；releasesemaphore(h_semaphorem_seri

12、al,n_thread,null); （3）消費者進程void consume(void * p) /局部變量聲明；7 dword wait_for_semaphore,m_delay; int m_serial,m_requestnum; /消費者的序列號和請求的數目；int m_thread_requestmax_thread_num;/ 本消費線程的請求隊列；/提取本線程的信息到本地；m_serial = (threadinfo*)(p)-serial; m_delay = (dword)(threadinfo*)(p)-delay *inte_per_sec); m_requestnu

13、m = (threadinfo *)(p)-n_request; for (int i = 0;ithread_requesti; sleep(m_delay); /循環進行所需產品的消費for(i =0;ithread_requesti =-1; if(!ifinotherrequest(m_thread_requesti) buffer_criticalbufferpos = -1;/ 標記緩沖區為空；printf( 消費者 %2d消費完畢 %2d.n ,m_serial,m_thread_requesti); printf( 位置%2d:%3d n ,bufferpos,buffer_c

14、riticalbufferpos); releasesemaphore(empty_semaphore,1,null); 8 else printf( 消費者 %2d消費完畢 %2d.n ,m_serial,m_thread_requesti); /離開臨界區leavecriticalsection(&pc_criticalbufferpos); 5.測試結果圖 5-1 測試結果圖9 其中測試數據是：2 1 p 1 2 p 2 3 p 3 4 c 4 3 2 5 c 5 1 6.結果分析1、在每個程序中坐須先做p(mutex) ，后做 v(mutex) ，二者要成對出現。夾在二者中間的

15、代碼段就是該進程的臨界區。2、對同步信號量 full和 empty 的 p，v操作同樣必須成對出現，但它們分別位于不同的程序中。3、無論在生產者進程中還是在消費者進程中，兩個 p操作的次序不能顛倒 : 應先執行同 步信號量的 p操作，然后執行互斥信號量的p操作。否則可能造成進程死鎖。7.總結和體會 . 此系統中使用的是用vc+6.0 實現的，由于我的經驗不足及閱歷頗淺，因此，在設計方面還有很多不足，比如代碼不夠優化等問題，我會在以后的學習、工作的過程中， 根據工作的具體要求不斷的修改，完善，爭取使該系統慢慢趨向完美。學習任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的，所以在學習完后進行課程設計是很及時、很必要的，這樣不僅能加深我們對所學知識的了解，而且還及時、真正的做到了學以致用。在這次課程設計過程中，遇到了很多問題。尤其是設計方面有些困難，但是通過上網，查書，向別人請教解決了，這次課程設計讓我學到了很多， 不僅是鞏固了先前學的的理論知識，而且也培養了我的動手能力，更令我的創造性思維得到拓展。致謝在本設計是我第一次嘗試這方面的軟件編程。在剛開發完畢準備開始寫論文時我對論文的寫法是一片空白， 所以只能問同學和上網查資料， 所以首先感謝在程序上幫助我的同學， 再次感謝網上貼出同類資料的友士，最后謝謝王老師對我10 們的指