操作系统课程设计报告.docx
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操作系统课程设计报告.docx
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操作系统课程设计报告
操作系统课程设计
用信号量机制解决生产者-消费者问题
姓名:
学号:
系别:
专业:
年级:
指导教师:
2012年04月25日
一、课程设计项目介绍(含项目介绍及设计目的)
(四号宋体,页数不够可另加,排版要工整规范,如每个大标题应位于页首等等,以下类同)
项目介绍:
在多进程(线程)运行环境中,进程(线程)之间并发执行,如果对进程(线程)访问临界资源(如公共变量)的操作不加限制,就会产生“与时间有关”的错误。
为防止这类错误,必须用同步机构控制进程(线程)对临界资源(公共变量)的访问。
本实验利用Windows系统提供的同步机制,来协调线程(Thread)间的并发执行,以加深对同步机制的理解,并学会在并发程序中引用同步机构的编程方法。
在同一个进程地址空间内执行的两个线程。
生产者线程生产物品,然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。
消费者线程从缓冲区中获得物品,然后释放缓冲区。
当生产者线程生产物品时,如果没有空缓冲区可用,那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。
当消费者线程消费物品时,如果没有满的缓冲区,那么消费者线程将被阻塞,直到新的物品被生产出来。
设计目的:
通过对生产者-消费者问题进行设计,深入理解操作系统中的同步与互斥原理,解决教材2.4.1节中所描述的生产者-消费者问题。
二、总体设计(含系统的总体结构、原理框图或各模块介绍等)
(四号宋体,框图文字用小五宋体)
总体结构:
1.生产者功能描述
在同一个进程地址空间内执行的两个线程。
生产者线程生产物品,然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。
当生产者线程生产物品时,如果没有空缓冲区可用,那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。
2.消费者功能描述
消费者线程从缓冲区中获得物品,然后释放缓冲区。
当消费者线程消费物品时,如果没有满的缓冲区,那么消费者线程将被阻塞,直到新的物品被生产出来。
原理框图:
各模块介绍:
intmain()主函数
voidProduce()生产一个产品的函数,仅输出新产品的ID号。
voidAppend()把新生产的产品放入缓冲区的函数
voidTake()从缓冲区取走一个产品的函数
voidConsume()消耗一个产品的函数
DWORDWINAPIProducer(LPVOIDlpPara)生产者线程
DWORDWINAPIConsumer(LPVOIDlpPara)消费者线程
三、详细设计(含主要的数据结构、程序流程图、关键代码段及注释等)
(四号宋体)
程序流程图:
.
主要数据结构:
生产者与消费者实现:
这其中主要是通过多线程,来实现生产者和消费者之间的协调问题。
生产者(producer)——消费者(consumer):
通过一些记录性变量,来记录模拟实现生产者的行为,通过输入语句的提示
程序采用OO设计模式,缓存区采用数组结构存储。
代码:
#include
#include
#include
constunsignedshortSIZE_OF_BUFFER=5;//缓冲区长度
unsignedshortProductID=0;//产品号
unsignedshortConsumeID=0;//将被消耗的产品号
unsignedshortin=0;//产品进缓冲区时的缓冲区下标
unsignedshortout=0;//产品出缓冲区时的缓冲区下标
intg_buffer[SIZE_OF_BUFFER];//缓冲区是个循环队列
boolg_continue=true;//使程序跳出循环,控制程序结束
HANDLEg_hMutex;//用于线程间的互斥
HANDLEg_hFullSemaphore;//当缓冲区满时迫使生产者等待
HANDLEg_hEmptySemaphore;//当缓冲区空时迫使消费者等待
DWORDWINAPIProducer(LPVOID);//生产者线程
DWORDWINAPIConsumer(LPVOID);//消费者线程
intmain()
{
//创建各个互斥信号
g_hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);//三个参数分别为:
指向安全属性的指针
//初始化互斥对象的所有者,指向互斥对象名的指针
//创建缓冲区满的信号量
g_hFullSemaphore=
CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);
//四个参数分别为:
表示是否允许继承、
//设置信号机的初始计数、设置信号机的
//最大计数、指定信号机对象的名称(-1是因为计数从0开始)
//创建缓冲区空的信号量
g_hEmptySemaphore=
CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);
//调整下面的数值,可以发现,当生产者个数多于消费者个数时,
//生产速度快,生产者经常等待消费者;反之,消费者经常等待
constunsignedshortPRODUCERS_COUNT=1;//生产者的个数
constunsignedshortCONSUMERS_COUNT=1;//消费者的个数
//总的线程数
constunsignedshortTHREADS_COUNT=
PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;
HANDLEhThreads[PRODUCERS_COUNT];//各线程的handle
DWORDproducerID[CONSUMERS_COUNT];//生产者线程的标识符
DWORDconsumerID[THREADS_COUNT];//消费者线程的标识符
//为每一个生产者创建生产者线程
for(inti=0;i hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]); if(hThreads[i]==NULL)return-1; } //为每一个消费者创建消费者线程 for(intj=0;j hThreads[PRODUCERS_COUNT+j]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[j ]); if(hThreads[j]==NULL)return-1; } while(g_continue){ if(getchar()){//按回车后终止程序运行 g_continue=false; } } return0; } //生产一个产品。 简单模拟了一下,仅输出新产品的ID号 voidProduce() { cerr<<"-------------------------------------------------------------------\n"; cerr<<"生产一个产品编号为: "<<++ProductID<< "..."< } //把新生产的产品放入缓冲区 voidAppend() { cerr<<"\n把新生产的产品放入缓冲区..."<<'\n'; g_buffer[in]=ProductID; in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;//把下一个生产的产品放入下一个缓冲区 //输出缓冲区当前的状态 cout<<"\n显示缓冲区当前的状态: \n\n"; cout<<"\n缓冲区编号产品编号\n"; for(inti=0;i cout<<"缓冲区"< "< if(i==in)cout<<"<--生产"; if(i==out)cout<<"<--消费"; cout< } } //从缓冲区中取出一个产品 voidTake() { cerr<< "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\n"; cerr<<"从缓冲区中取出一个产品产品编号为: "< ConsumeID=g_buffer[out]; g_buffer[out]=0; out=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER; //输出缓冲区当前的状态 cout<<"\n显示缓冲区当前的状态: \n\n"; cout<<"\n缓冲区编号产品编号\n"; for(inti=0;i cout<<"缓冲区"< "< if(i==in)cout<<"<--生产"; if(i==out)cout<<"<--消费"; cout< } } //消耗一个产品 voidConsume() { cerr<<"\n消耗产品"< } //生产者 DWORDWINAPIProducer(LPVOIDlpPara) { while(g_continue){ WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);//第一个参数hHandle是事件g_hFullSemaphore的句柄, //第二个参数是时间间隔,当为 //INFINITE时函数将直到相应时间 //事件变成有信号状态才返回,否则 //就一直等待下去,直到g_hFullSemaphore //有返回直才执行后面的代码 WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex);//释放互斥体的所属权 ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);//增加信号量 } return0; } //消费者 DWORDWINAPIConsumer(LPVOIDlpPara) { while(g_continue){ WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); } return0; } 四、运行结果(含运行及测试结果和用户使用说明书)(四号宋体) 一个生产者与一个消费者,缓冲区长度为5: 五、课程设计小结与心得体会(不小于300字)(四号宋体) 本次课程设是关于生产者与消费者之间互斥和同步的问题。 问题的实质是P、V操作,实验设一个共享缓冲区,生产者和消费者互斥的使用,当一个线程使用缓冲区的时候,另一个让其等待直到前一个线程释放缓冲区为止。 在有限的缓冲区里,生产者生产的产品要有消费者来消费,使缓冲区一直保持在可用状态,若是安排不合理,则会陷入死循环。 一般上,解决的办法一是调度算法合理,即线程到达的顺序,二是安排足够大的缓冲区。 生产者线程和消费者线程共用一个缓冲池时,生产者生产产品占用缓冲区,消费者消费产品释放缓冲区,要使变量之间的数传递。 系统对这两个函数执行的过程使用的是并发执行,即在执行过程中跳过这段程序转去执行另一段并发程序,回过头来再执行起初尚未执行完的那段程序。 通过本课程设计,使我对操作系统的p、v进一步的认识,深入的了解p、v操作的实质和其重要性。 课本的理论知识进一步阐述了现实中的实际问题。 实验中,虽然在课程设计中遇到了一些问题,但在老师和同学的细心指导和热心帮助下解决了。 同时,了解到团队精神的重要性,也为以后的学习和工作打下了坚实的基础,同时积累了宝贵的经验。 六、成绩评定(单独一页) 指导老师评语: 成绩评定 指导老师签名: 年月日 优秀 良好 中等 及格 不及格
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