暨燧工等院

課程設計報告

課程名：操作系統

專業__________________________________

學生姓名__________________________________

班級__________________________________

學號__________________________________

指導教師__________________________________

完成日期__________________________________

博雅學院

“操作系統”課程設計報告

-生產者?消費者問題的模擬實現

1.課程設計的目的

本課程設計是學習完“操作系統原理”課程后進行的一次全面的綜合訓練，通

過課程設計，更好地掌握操作系統的原理及實現方法，加深對操作系統基礎理論和

重要算法的理解，加強學生的動手能力。

2.設計內容

2.1概述

用多進程同步方法解決生產者■消費者問題，C或C++語言實現。

通過研究Linux的進程機制和信號量實現生產者消費者問題的并發控制。

說明:有界緩沖區內設有20個存儲單元,放入/取出的數據項設定為1-20這20個

整型數。

設計要求:⑴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/消費者縣城的標識符。（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有共享對緩沖區進行操作的函數代

碼。

2.2設計原理

多進程是一種非常簡潔的多任務操作方式。在Linux系統下，啟動一個新的進

程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數據表來維護它的代碼段、堆棧段和

數據段，這是一種煩瑣的多任務工作方式。

生產者■消費者方案是多進程應用程序開發中最常用的構造之一。因此困難也在

于此。因為在一個應用程序中可以多次重復生產者-消費者行為，其代碼也可以如此。

設計中創建了Consumer類，該類通過在一些多進程應用程序中促進代碼重用以及

簡化代碼調試和維護來解決這個問題。多進程應用程序通常利用生產者■消費者編程

方案，其中由生產者進程創建重復性作業，將其傳遞給作業隊列，然后由消費者進

程處理作業。

多進程是一種使應用程序能同時處理多個操作的編程技術。通常有兩種不同類

型的多進程操作使用多個進程：適時事件，當作業必須在特定的時間或在特定的間

隔內調度執行時；后臺處理，當后臺事件必須與當前執行流并行處理或執行時；適

時事件的示例包括程序提醒、超時事件以及諸如輪詢和刷新之類的重復性操作。后

臺處理的示例包括等待發送的包或等待處理的已接收的消息。

生產者-消費者方案很適合于后臺處理類別的情況。這些情況通常圍繞一個作業

“生產者”方和一個作業“消費者”方。當然，關于作業并行執行還有其它考慮事

項。在大多數情況下，對于使用同一資源的作'也，應以FCFS的方式按順序處理，這

可以通過使用單進程的消費者輕松實現。通過使用這種方法，使用單個進程來訪問

單個資源，而不是用多個進程來訪問單個資源。要啟用標準消費者，當作業到來時

創建一個作業隊列來存儲所有作業。生產者進程通過將新對象添加到消費者隊列來

交付這個要處理的新對象。然后消費者進程從隊列取出每個對象，并依次處理。當

隊列為空時，消費者進入休眠。當新的對象添加到空隊列時，消費者會醒來并處理

該對象。

2.3詳細設計及編碼

（1）調試問題分析

為解決生產者/消費者問題，應該設置兩個資源信號量，其中一個表示空緩沖區

的數目，用Full表示，其初始值為有界緩沖區的大小BUFFER_NUM；另一個表示

緩沖區中產品的數目，用Empty表示，其初始值為（）。另外，由于有界緩沖區是一

個臨界資源，必須互斥使月，所以還需要再設置一個互斥信號量Mutex,起初值為1。

在生產者/消費者問題中，信號量實現兩種功能。首先，它是生產產品和消費產

品的計數器，計數器的初始值是可利用的資源數目（有界緩沖區的長度）。其次，它是

確保產品的生產者和消費者之間動作同步的同步器。

生產者要生產一個產品時，首先對資源信號量Full和互斥信號量Mutex進行P

操作，申請資源。如果可以通過的話，就生產一個產品，并把產品送入緩沖區。然

后對互斥信號量Mutex和資源信號量Empty進行V操作，釋放資源。

消費者要消費一個產品時，首先對資源信號量Empty和互斥信號量Mutex進行

P操作，申請資源。如果可以通過的話，就從緩沖區取出一個產品并消費掉。然后

對互斥信號量Mutex和資源信號量Full進行V操作，釋放資源。

如果緩沖區中已經沒有可用資源，就把申請資源的進程添加到等待隊列的隊尾。

婦果有一個資源被釋放，在等待隊列中的第一個進程被喚醒并取得這個資源的使用

權。

圖2-2消費者流程圖

(3)源程序

#include<windows.h>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<time.h>

typedefHANDLESemaphore;//信號量的Windows原型

升defineP(S)WaitForSingleObject(SJNFINITE)//定義Windows下的P操作

#defineV(S)ReleaseSemaphore(S,1,NULL)//定義Windows下的V操作

#definerate100()

#defineCONSUMER_NUM2/*消費者個數*/

#definePRODUCER_NUM3/*生產者個數*/

#defineBUFFER_NUM20/*緩沖區個數*/

char*thing[8]={〃豆漿〃，〃油條〃，〃燒餅〃，〃牛奶〃，〃包子“，〃燒賣"，〃煎蛋〃,〃雪碧

“};〃生產和消費的產品名稱

structBuffer

(

intproduct[BUFFER_NUM];//緩沖區

intstart,end;//兩個指針相當于教材中的inout指針

Jg.buf;

SemaphoreEmpty,FulkMutex;//分另U相當于Empty,FulkMutex三個信號量

<

DWORDWINAP1Consumer(LPVOIDpara)

f

t

//i表示第i個消費者

inti=*(int*)para;〃利用para傳入當前消費者的編號

intptr;//待消費的內容的指針

printf(〃消費者％Id:需要資源\n〃，i);

intj=0;

while(j++<4){

//等待產品

P(Full):

//有產品，先鎖住緩沖區

P(Mutcx);

//記錄消費的物品

ptr=g_buf.start;

//再移動緩沖區指針

g_buf.slail-(g_buf.blarl+l)%BUFFER_NUM,

〃讓其他消費者或生產者使用

printf(z，消費者％01d:SH?buf[%d]=%s\n，，,i,ptr,thing[g_duct[ptr]]);

〃消費完畢，并釋放一個緩沖

printf(，z消費者%01d:我消費完畢％s\n”,ijhing[g_duct[ptr]]);

V(Mutex);

V(Empty);

S1eep(rate*rand()%10+110);

)

return0;

}

/'不不不不不不不不不不不不不不不sL*不/f-/.y"-〃t:力+不I小不不不不不不不不不不不不不不不不不不不不不不不不不?X?不?2x不不不不/

DWORDWINAP1Producer(LPVOIDpara)

(

inti=*(int*)para-CONSUMERNUM;

intptr;

intdata;〃產品

intj=0;

while(j++<4)

{

data=rand()%8;

prinlf("生產者%Old:生產出：%s!Xn^,i,(hing[dataj);

〃等待存放空間

P(Empty);

〃有地方，先鎖住緩沖區

P(Mutex);

〃記錄消費的物品

ptr=g_buf.end;

〃再移動緩沖區指針

g_buf.end=(g_buf.end+1)%BUFFER_NUM;

printf("生產者%Old:放到緩沖區buf[%d]=%s\n*,i,ptr,thing[data]);

g_duct[ptrj=data;

〃放好了完畢，釋放一個產品

〃讓其他消費者或生產者使用

V(Mutex);

V(Full);

Sleep(rate/2*rand()%10+l10);

)

return0;

intmain(intargc,char*argv[])

(

〃線程技術，前面為消費者線程，后面為生產者線程

HANDLEhThread[CONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM];//線程計

數

srand(time(NULL));

rand();

DWORDtid;

inti=0;

〃初始化信號量

Mutex=CreateSemapliore(NULL,1,1,"MutexOfConsumerAndProducer");

Empty=CreateSemaphore(NULL,BUFFER_NUM,BUFFER.NUM,

"BuffcrScmaphone");

Full=CreateSemaphore(NULL,0,BUFFER_NUM,"ProductSemaphone");

if(!Empty||!Full||!Mutcx)

(

printf("CrcatcScmaphoncError!\n");

return-1;

)

inttotalThreads=CONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM;

〃開啟消費者線程

printf(〃先請消費者上席！\n〃)；

for(i=0;i<CONSUMER_NUM;i++)

(

hThread[i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,&i,O,&tid);

if(hThread[i])WaitForSingleObject(hThread[i]J0);

)

printf("生產者就位！\nM);

for(;i<totalThreads;i++)

(

hThread[i]=CreateThread(NULL,(),Producer,&i,0,&lid);

if(hThread(i])WaitForSingleObject(hThread[i],10);

)

〃生產者和消費者的執行

WaitForMukipleObjects(tolalThreads,hThread,TRUEJNFINITE);

return0;

3結果及分析

"C:\Progra>Files\HicrosoftVisualStudio\?yProjects\楊慧\Debug\楊慧.exe-l°h[

毒

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翼要

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費;

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c("C:\PrograMFilesMicrosoftVisualStudioUyProjects\楊急\Debug\楊款.exe-h|x|

生產者U消費者雪碧?

比魄者U魏逐完畢油.□

生產者[二放到的童bu￡[4]=雪碧

生產者2：生產在燒餅？

生_產.者-2：放到期區buF[51=燒餅

消費者0：莪需要bu￡[4]=雪碧

用費者。：璘卷竽雪碧

生產者0：生產苗:賽餅？

生產者0：放到研區bu￡[6]=燒餅

消費者1：糙要buF[5]=施打

上肖費者工:在

生產者U.生產出：的油條條？；

.我消麟畢燒餅

消費者1：執以曰更!)

生產譽,放到緩沖囪油條

生產者2：生產田:燒賣?

生產者2：放到緩沖區buF[8]=燒賣

生產京豆漿？

生產者0：

生產者。：生產出：豆漿？

uf[6]=

酒費者。：一攜密元軍烷餅_入

生產者0:放到的短buf[9J=豆漿

生產者1:生產出：牛

生產者1:生產出：牛

逍囂耋，：費甯器處於“?由條

理者工:我置卷完畢油條

生產者「放到現能

buf[