1、 操作系統 課程設計任務書 學 院計算機與信息工程專 業計算機科學與技術課程名稱操作系統題 目生產者消費者問題設計與實現完成期限自2015年6月23日至2015年6月29日共1周內容及任務一、項目的目的1.理生產者消費者問題基本概念和工作原理，以及實現技術；2.理解并掌握生產者消費者問題相關算法，以及它的實現方法；3.掌握在eclipse環境下，系統開發的基本步驟和方法；4.掌握在eclipse環境下，設計和開發一個簡單的生產者消費者問題系統來模擬操作系統中生產者消費者問題。二、項目任務的主要內容和要求1.精讀并理解和掌握生產者消費者問題；2.編寫程序來模擬生產者消費者問題的實現；3.編寫應用

2、程序測試生產者消費者問題，并顯示結果。三、項目設計（研究）思路本課程設計的基本思路是，首先理解和掌握生產者消費者問題的基本思想和原理，然后根據理解的基本思想和原理編程實現生產者消費者問題，最后通過數據分析生產者消費者問題。四、具體成果形式和要求 成果：生產者消費者問題程序語言實現；設計說明書。要求：編寫好的生產者消費者問題程序能夠正確啟動運行；設計說明書規范、合理。進度安排起止日期工作內容2015.6.23至2015.6.24熟悉相關內容2015.6.25至2015.6.26系統設計和實現2015.6.27至2015.6.29系統實現和撰寫相關文檔主要參考資料1.計算機操作系統湯子瀛哲鳳屏 湯

3、小丹主編 西安電子科技大學出版社.2.計算機操作系統概論陳宏 楊忠耀主編 重慶郵電大學出版社.3.計算機操作系統基本知識廖成 崔陽 主編 電子工業出版社.4.操作系統實現與設計陸剛 望能主編 電子工業出版社.5.java程序語言設計丁振凡主編，薛清華副主編清華大學出版社.指導教師意見（簽字）： 年 月 日系（教研室）主任意見（簽字）： 年 月 日目錄1.選題背景12.設計思路13.過程討論14.結果分析115.結論12參考文獻13致謝13附錄14指導教師評語19成績評定191.選題背景生產者消費者問題是研究多線程程序時繞不開的經典問題之一，它描述是有一塊緩沖區作為倉庫，生產者可以將產品放入倉庫

4、，消費者則可以從倉庫中取走產品。解決生產者/消費者問題的方法可分為兩類：（1）采用某種機制保護生產者和消費者之間的同步；（2）在生產者和消費者之間建立一個管道。第一種方式有較高的效率，并且易于實現，代碼的可控制性較好，屬于常用的模式。第二種管道緩沖區不易控制，被傳輸數據對象不易于封裝等，實用性不強。因此本文只介紹同步機制實現的生產者/消費者問題。同步問題核心在于：如何保證同一資源被多個線程并發訪問時的完整性。常用的同步方法是采用信號或加鎖機制，保證資源在任意時刻至多被一個線程訪問。Java語言在多線程編程上實現了完全對象化，提供了對同步機制的良好支持。在Java中一共有四種方法支持同步，其中前

5、三個是同步方法，一個是管道方法。2設計思路 2.1.生產者消費者問題是一種同步問題的抽象描述。 2.2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。2.3而當某個進程釋放資源時，則它就相當一個生產者3.過程論述首先，生產者和消費者可能同時進入緩沖區，甚至可能同時讀/寫一個存儲單元，將導致執行結果不確定。這顯然是不允許的。所以，必須使生產者和消費者互斥進入緩沖區。即某時刻只允許一個實體（生產者或消費者）訪問緩沖區，生產者互斥消費者和其他任何生產者。 其次，生產者不能向滿的緩沖區寫數據，消費者也不能在空緩沖區中取數據，即生產者與

6、消費者必須同步。當生產者產生出數據，需要將其存入緩沖區之前，首先檢查緩沖區中是否有“空”存儲單元，若緩沖區存儲單元全部用完，則生產者必須阻塞等待，直到消費者取走一個存儲單元的數據，喚醒它。若緩沖區內有“空”存儲單元，生產者需要判斷此時是否有別的生產者或消費者正在使用緩沖區，若是有，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區的使用權，將數據存入緩沖區，釋放緩沖區的使用權。消費者取數據之前，首先檢查緩沖區中是否存在裝有數據的存儲單元，若緩沖區為“空”，則阻塞等待，否則，判斷緩沖區是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區的使用權，進入緩沖區取數據，釋放緩沖區的使用權。3.1系統流程圖3

7、.1.1生產者流程圖：3.1.2消費者流程圖：3.1.3主程序流程圖：3.1.4生產者:ProducerThread /定義生產者線程class ProducerThread implements Runnable int productNo = 0; /產品編號int id; /生產者IDpublic ProducerThread(int id)this.id = id;public void run()while(isRun)productNo+; /生產產品buffers.put(productNo, id); /將產品放入緩沖隊列tryThread.sleep(1000);catch(

8、Exception e)e.printStackTrace();3.1.5消費者 ConsumerThread /定義消費者線程class ConsumerThread implements Runnable int id; /消費者IDpublic ConsumerThread(int id)this.id = id;public void run()while(isRun)buffers.get(id); /從緩沖隊列中取出產品tryThread.sleep(1000);catch(Exception e)e.printStackTrace();3.1.6緩沖區Buffer class B

9、uffer JTextArea ta;static final int productBufferNum = 10; /緩沖單元數ProductBuffer pBuffer = new ProductBufferproductBufferNum; /緩沖隊列int in = 0; /緩沖單元指針，用于放產品get()int out = 0; /緩沖單元指針，用于取產品put()int consumeProductNo; /記錄消費產品的編號int usedBufferNum = 0; /記錄緩沖隊列已使用的緩沖單元個數public Buffer (JTextArea ta)this.ta =

10、ta;/初始化for(int j=0; j<productBufferNum; j+)pBufferj = new ProductBuffer();for(int i=0; i<productBufferNum; i+)pBduct = -1;pBufferi.hasProduct = false;/取產品public synchronized void get(int id)/緩沖隊列空則等待if(usedBufferNum <= 0)trysuper.wait();catch(Exception e)e.printStackTrace();consum

11、eProductNo = pBduct; /取出產品pBduct = 0; /清空緩沖單元pBufferout.hasProduct = false; /置"無產品"標識usedBufferNum-;/輸出本次取產品后緩沖隊列的情況ta.append("消費者"+id+"將產品"+consumeProductNo+"從緩沖單元"+out+"取出，緩沖隊列狀態如下：n");printBuffer();out=(out+1)%productBuffer

12、Num; /更新指針/喚醒等待線程super.notify();/放產品public synchronized void put(int productNo, int id)/緩沖隊列滿則等待if(usedBufferNum = productBufferNum)trysuper.wait();catch(Exception e)e.printStackTrace();pBduct = productNo; /放產品pBufferin.hasProduct = true; /置“有產品”標識usedBufferNum+;/輸出本次放入產品后，緩沖隊列的情況ta.appen

13、d("生產者"+id+"將產品"+productNo+"放入緩沖單元"+in+"，緩沖隊列狀態如下：n");printBuffer();in=(in+1)%productBufferNum; /更新指針/喚醒等待線程super.notify();/打印緩沖隊列當前情況private void printBuffer()ta.append(" 緩沖單元編號 產品編號 緩沖單元狀態n");for(int i=0; i<productBufferNum; i+)ta.append("t

14、"+i+"t"+pBduct+"t"+pBufferi.hasProduct+"n");/*一個緩沖單元*/class ProductBuffer int product; /存放產品編號boolean hasProduct; /標識該緩沖區是否有產品，true有產品，false無產品3.1.7圖形界面createUIpublic void createUI()JFrame frame = new JFrame("生產者消費者");JPanel panel = new JPanel(n

15、ew BorderLayout();/ta.setBackground(Color.blue);JScrollPane scrPane = new JScrollPane(ta);panel.add(scrPane, BorderLayout.CENTER);JButton button = new JButton("停止");button.addActionListener(this);panel.add(button, BorderLayout.SOUTH);panel.setBackground(Color.BLUE);frame.add(panel);frame.s

16、etVisible(true);frame.setSize(1000,500);frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);3.1.8事件驅動actionPerformed/按鈕響應事件public void actionPerformed(ActionEvent e)isRun = false; /控制線程結束System.out.println("停止");4.結果分析運行主程序得到一個GUI窗口，在文本域中輸出結果，一共10個緩沖單元，三個生產者隨機生產產品依次從0編號的緩沖區放入產品，消費者按照生產的先后

17、順序消費產品。當緩沖單元有產品時，狀態欄顯示true，否則顯示false。并且當消費者取走產品后，產品編號會變成0.5.結論這次生產者與消費者之間的關系的實驗我用Java語言編寫的，用關鍵字synchronized來實現多個線程同步，用繼承Thread來將生產者線程與消費者線程實例化。其實，在做這個實驗之前我的Java語言編程老師講過這些知識，正好可以鞏固Java的一些知識。我還學過C+語言，這是大一下學期學的事了，我想要實現書上的P、V操作可以用C+語言來編寫。  總之，通過該實驗我更加清楚的認識到生產者與消費者這個經典問題實際上是線程同步問題的抽象描述，即計算機系統中的每個進程都

18、可以消費（使用）或生產（釋放）數據，進程釋放數據相當于生產者，使用數據相當于消費者。 從Java 的多線程機制出發, 研究了操作系統中經典的同步問題生產者消費者問題, 提出了兩種解決此問題的模型, 及其Java 解決方案。提出的兩個模型充分利用了Java 中面向對象和管程機制, 模擬了操作系統中進程同步的經典問題生產者消費者問題。在第一個模型中, 我們按照生產者消費者問題典型的解決方案給出了Java 解決模型; 在第二個模型中, 我們分析了信號量mutex 在問題中所起的作用, 并為了提高緩沖區讀寫的效率, 提出了將信號量mutex 分為兩個分別控制生產者和消費者的信號量,并討論了此方案的可行

19、性。參考文獻1 計算機操作系統湯子瀛哲鳳屏 湯小丹主編 西安電子科技大學出版社2 計算機操作系統概論陳宏 楊忠耀主編 重慶郵電大學出版社3 計算機操作系統基本知識廖成 崔陽 主編 電子工業出版社4 操作系統實現與設計陸剛 望能主編 電子工業出版社5 java程序語言設計丁振凡主編，薛清華副主編清華大學出版社致謝本組全體成員在此向所有關心我們的及幫助我們的老師和同學們致以最真誠的感謝。在本次畢業設計中，尤其要感謝楊傳健老師，對我們的課程設計時刻的關注，當我們遇到困難時給了我們很大的幫助，交給了我們團隊的合作理念，使得我們能夠按時完成這次的課程設計。學生簽名： 填表日期： 年 月 日附錄impor

20、t java.awt.BorderLayout;import java.awt.Color;import java.awt.event.ActionEvent;import java.awt.event.ActionListener;import javax.swing.JButton;import javax.swing.JFrame;import javax.swing.JPanel;import javax.swing.JScrollPane;import javax.swing.JTextArea;/import Producer_and_Customer.ConsumerThread

21、;/import Producer_and_Customer.ProducerThread;/* * 定義臨界資源：緩沖隊列 * */class Buffer JTextArea ta;static final int productBufferNum = 10; /緩沖單元數ProductBuffer pBuffer = new ProductBufferproductBufferNum; /緩沖隊列int in = 0; /緩沖單元指針，用于放產品get()int out = 0; /緩沖單元指針，用于取產品put()int consumeProductNo; /記錄消費產品的編號int

22、usedBufferNum = 0; /記錄緩沖隊列已使用的緩沖單元個數public Buffer (JTextArea ta)this.ta = ta;/初始化for(int j=0; j<productBufferNum; j+)pBufferj = new ProductBuffer();for(int i=0; i<productBufferNum; i+)pBduct = -1;pBufferi.hasProduct = false;/取產品public synchronized void get(int id)/緩沖隊列空則等待if(usedBuff

23、erNum <= 0)trysuper.wait();catch(Exception e)e.printStackTrace();consumeProductNo = pBduct; /取出產品pBduct = 0; /清空緩沖單元pBufferout.hasProduct = false; /置"無產品"標識usedBufferNum-;/輸出本次取產品后緩沖隊列的情況ta.append("消費者"+id+"將產品"+consumeProductNo+"從緩沖單元&qu

24、ot;+out+"取出，緩沖隊列狀態如下：n");printBuffer();out=(out+1)%productBufferNum; /更新指針/喚醒等待線程super.notify();/放產品public synchronized void put(int productNo, int id)/緩沖隊列滿則等待if(usedBufferNum = productBufferNum)trysuper.wait();catch(Exception e)e.printStackTrace();pBduct = productNo; /放產品pBuff

25、erin.hasProduct = true; /置“有產品”標識usedBufferNum+;/輸出本次放入產品后，緩沖隊列的情況ta.append("生產者"+id+"將產品"+productNo+"放入緩沖單元"+in+"，緩沖隊列狀態如下：n");printBuffer();in=(in+1)%productBufferNum; /更新指針/喚醒等待線程super.notify();/打印緩沖隊列當前情況private void printBuffer()ta.append(" 緩沖單元編號 產品

26、編號 緩沖單元狀態n");for(int i=0; i<productBufferNum; i+)ta.append("t"+i+"t"+pBduct+"t"+pBufferi.hasProduct+"n");/*一個緩沖單元*/class ProductBuffer int product; /存放產品編號boolean hasProduct; /標識該緩沖區是否有產品，true有產品，false無產品/* * 生產者消費者問題實現（可以有多個生產者消費者） * */publi

27、c class Producer_and_Customer implements ActionListenerprivate JPanel jp=new JPanel10;boolean isRun = true;/用于控制線程結束JTextArea ta = new JTextArea();Buffer buffers = new Buffer(ta); /緩沖隊列static final int producerNum = 3; /生產者個數static final int consumerNum = 3; /消費者個數ProducerThread proThread = new Prod

28、ucerThreadproducerNum;ConsumerThread conThread = new ConsumerThreadconsumerNum;Thread producer = new ThreadproducerNum;Thread consumer = new ThreadconsumerNum;public Producer_and_Customer()createUI();/createNewUI();/創建多個生產者和消費者線程并開始執行for(int i=0; i<producerNum; i+)proThreadi = new ProducerThread(

29、i+1);produceri = new Thread(proThreadi);produceri.start();for(int j=0; j<consumerNum; j+)conThreadj = new ConsumerThread(j+1);consumerj = new Thread(conThreadj);consumerj.start();private void createNewUI() JFrame frame=new JFrame("Leo");/創建界面public void createUI()JFrame frame = new JFrame("生產者消費者");JPanel panel = new JPanel(new BorderLayout();/ta.setBackground(Color.blue);JScrollPane scrPane = new JScrollPane(ta);panel.add(scrPane, BorderLayout.CENTER);JButton butto