1、實驗三編程模擬生產者和消費者問題一、實驗目的和要求模擬實現用同步機構避免發生進程執行時可能出現的與時間有關的錯誤。進程是程序在一個數據集合上運行的過程， 進程是并發執行的，也即系統中 的多個進程輪流地占用處理器運行。我們把若干個進程都能進行訪問和修改的那些變量稱為公共變量。由于進程是并發地執行的，所以，如果對進程訪問公共變量不加限制，那么就會產生“與 時間有關”的錯誤，即進程執行后所得到的結果與訪問公共變量的時間有關。為了防止這類錯誤，系統必須要用同步機構來控制進程對公共變量的訪問。 一般說， 同步機構是由若干條原語一一同步原語一一所組成。本實習要求學生模擬PV操作同步機構的實現，模擬進程的并

2、發執行，了解進程并發執行時同步機構的作 用。二、實驗環境Windows操作系統和Visual C+6.0 專業版或企業版三、實驗步驟模才KPV操作同步機構，且用pv操作解決生產者一一消費者問題。提示:(1) PV操作同步機構，由P操作原語和V操作原語組成，它們的定義如下：P操作原語P (s):將信號量s減去1,若結果小于0,則執行原語的進程被 置成等待信號量s的狀態。V操作原語V (s):將信號量s加1 ,若結果不大于0,則釋放一個等待信號 量s的進程。這兩條原語是如下的兩個過程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1;if s0 then

3、W (s)end pprocedure v (var s: semaphore);egin s: = s+1;if s 0 then R (s)end v其中W (s)表示將調用過程的進程置為等待信號量s的狀態；R (s)表示釋放一個等待信號量s的進程。在系統初始化時應把semaphore定義為某個類型，為簡單起見，在模擬實 習中可把上述的semaphore 直接改成integer 。(2)生產者一一消費者問題。假定有一個生產者和一個消費者，生產者每次生產一件產品，并把生產的產 品存入共享緩沖器以供消費者取走使用。消費者每次從緩沖器內取出一件產品去 消費。禁止生產者將產品放入已滿的緩沖器內，禁

4、止消費者從空緩沖器內以產品。 假定緩沖器內可同時存放10件產品。那么，用PV操作來實現生產者和消費者 之間的同步，生產者和消費者兩個進程的程序如下：B: array 0.9 of products;s1, s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;IN, out: integer;IN: =0; out: =0;cobeginprocedure producer;c: products;beginL1:Produce (c);P (s1);BIN: =C;IN: =(IN+1)mod 10;V (s2);goto L1 end; procedure consumer; x:

5、products;beginL2:p (s2);x: =Bout;out: =(out+1) mod10;v (s1);consume (x);goto L2 end;coend.其中的semaphore 和products 是預先定義的兩個類型，在模擬實現中 semaphore 用 integer 代替，products 可用 integer 或 char 等代替。(3)進程控制塊PCB。為了記錄進程執行時的情況，以及進程讓出處理器后的狀態，斷點等信息，每個進程都有一個進程控制塊PCBo在模擬實習中，假設進程控制塊的結構如圖3-1。其中進程的狀態有：運行態、就緒態、等待態和完成態。當進程處于

6、等 待態時，在進程控制塊 PCB中要說明進程等待原因(在模擬實習中進程等待原 因是為等待信號量s1或s2);當進程處于等待態或就緒態時，PCB中保留了斷 點信息，一旦進程再度占有處理器則就從斷點位置繼續運行；當進程處于完成狀態，表示進程執行結束。(4)處理器的模擬。計算機硬件提供了一組機器指令，處理器的主要職責是解釋執行機器指令。 為了模擬生產者和消費者進程的并發執行，我們必須模擬一組指令和處理職能。模擬的一組指令見圖3-2 ,其中每條指令的功能由一個過程來實現。用變量PC來模擬“指令計數器”，假設模擬的指令長度為1,每執行一條模擬指令后， PC加1,提出下一條指令地址。使用模擬的指令，可把生

7、產者和消費者進程的 程序表示為圖3-3的形式。定義兩個一維數組PA0.4和SA0.4,每一個PAi存放生產者程序中的一 條模擬指令執行的入口地址；每個 SAi存放消費者程序中的一條模擬指令執行的入口地址。于是模擬處理器執行一條指令的過程為： 取出PC之值，按PAPC 或SAPC得模擬指令執行的入口地址，將PC之值加1 ,轉向由入口地址確定的 相應的過程執行。模擬的指令功 能p (s)執行P操作原語v (s)執行V操作原語putBIN: =product;IN: = (IN+1) mod 10GETx: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce輸入一個字符放入 C中c

8、onsume打印或顯示x中的字符GOTO LPC: =LNOP空操作圖3-2模擬的處理器指令序號生產者程序消費者程序0producep (s2)1p (s 1)GET2PUTv (si)3v (s 2)consume4goto 0goto 0圖3-3生產者和消費者程序(5)程序設計本實習中的程序由三部分組成：初始化程序、處理器調度程序、模擬處理器指令執行程序。各部分程序的功能及相互間的關系由圖3-4至圖3-7指出。初始化信號量氣，回生產者和清苗青遁卷 的PCB中糧春為就蠟, 斷點*。格現行進程立為生產 taa. pc虻理腓調度程序圖3-4初始化流程圖3-5 模擬處理器調度初始化程序:模擬實習的

9、程序從初始化程序入口啟動， 初始化工作包括對信號量si、s2賦初值，對生產者、消費者進程的PCB初始化。初始化后轉向處理 調度程序，其流程如圖3-4處理器調度程序：在計算機系統中，進程并發執行時，任一進程占用處理器執行完一條指令后就有可能被打斷而讓出處理器由其它進程運行。 故在模擬系統 中也類似處理，每當執行一條模擬的指令后，保護當前進程的現場，讓它成為非 運行態，由處理器調度程序按隨機數再選擇一個就緒進程占用處理器運行。 處理 器調度程序流程見圖3-5 。圖3-6模擬處理器指令執行箱調用過程 的迸程置為等待 信號量S的狀態將調用FT)的 進程疑為就緒態 I 一一 _ _將一個等待$信號量 的

10、進程置為就緒盛1*-將調用V O的進程置物就緒態(a)模寸P P (s)(b)模寸V V (s)圖3-7 模才P PV操作的執行模擬處理器指令執行程序：按“指令計數器 PC之值執行指定的指令，且PC加1指向下一條指令。模擬處理器指令執行程序的流程圖見圖3-6和圖3-7另外，為了使得模擬程序有一個結束條件，在圖 3-6中附加了 “生產者運行結束”的條件判斷，模擬時可以采用人工選擇的方法實現。圖 3-7給出了 P (s) 和V (s)模擬指令執行過程的流程。其它模擬指令的執行過程已在圖 3-2中指出。附錄：代碼#include #include #include #include #define

11、NULL 0struct spcbchar name;char state;char why;int dd ;)；typedef struct spcb pcb;pcb producter,consumer,*process,*process1;int s1,s2,i,j,in,out,pc,m;char array10;char c,x;int pa6,sa6;int p(int s) /* p操作原語 */s=s-1;if(sstate=B; /* B表示阻塞 */process-why=s;)elseprocess-state=W; /* W表示就緒*/return(s);)int v(

12、int s) /*v操作原語 */(s=s+1;if(sstate=W;)process-state=W;return(s);)char RanChar()(char arr10=a,b,c,d,e,f,g,h,i,j;return arrabs(rand()%10);void put()/ printf(n please product anychar!);/scanf(n%c,&c);Sleep(1000);arrayin=RanChar();in=(in+1)%10;printf( product a char is %c!n ,arrayin-1);int k = 0;for(m=0;

13、m10;m+)if (arraym!= ) printf(%c,arraym);k = k+1;printf(緩沖池中有%d個產品n,k);void get()Sleep(1000);x=arrayout;printf(n%c get a char fron buffer,x);printf(n);arrayout=;out=(out+1)%10;int k = 0;for(m=0;mname);printf(|%ct,process-state);printf(|%ct,process-why);printf(|%dt,process-dd);printf(n);void init()/*初

14、始化程序*/s1=10;/*s1表示空緩沖區的數量 */s2=0;/*s2 表示滿緩沖區的數量 */=p;/*對生產者進程初始化*/producter.state=W;producter.why=;producter.dd=0;=c;/*對消費者進程初始化 */consumer.state=W;consumer.why=;pa中*/sa中 */consumer.dd=0;for(int k=0;k10;k+)(arrayk=;)void bornpa() /*將生產者程序裝入(for(i=0;i=3;i+)(pai=i;)void born

15、sa()/*將消費者程序裝入(for(i=0;idd;i=pc;/*此時把PC的值付給I*/if(process-name=p)&(process-state=W)j=pai;pc=i+1;switch(j) (case 0: s1=p(s1);process-dd=pc;break;case 1: put();process-state=W;process-dd=pc;break;case 2: s2=v(s2);process-dd=pc;break;case 3: gotol();process-state=W;process-dd=pc;)else if(process-name=c)&(process-state=W1)/*執行消費者進程且該進程處于就緒狀態*/(process-state=W;j=sai;pc=i+1;switch(j)(case 0: s2=p(s2);process-dd=pc;bre