操作系统生产者与消费者课程设计.docx
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操作系统生产者与消费者课程设计.docx
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操作系统生产者与消费者课程设计
《操作系统》课程设计
生产者和消费者问题
系院:
计算机科学系
学生姓名:
吴伟
学号:
0734130101
专业:
软件工程
年级:
0701B
完成日期:
2009年11月
指导教师:
刘栓
一、课程设计的性质与任务
1、生产者-消费者问题是很经典很具有代表性的进程同步问题,计算机中的很多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题,通过本实验的练习,希望能加深学生对进程同步问题的认识与理解。
2、熟悉VC的使用,培养和提高学生的分析问题、解决问题的能力。
二、课程设计的内容及其要求
1.实验内容
以生产者/消费者模型为依据,在Windows2000环境下创建一个控制台进程,在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者,实现进程(线程)的同步与互斥。
2.实验要求
●学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则;
●学习了解Windows同步对象及其特性;
●熟悉实验环境,掌握相关API的使用方法;
●设计程序,实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥;
●提交实验报告。
三、课程设计的时间安排
课程设计时间8课时
四、课程设计的实验环境
本实验是在winxp+VC6.0环境下实现的,利用WindowsSDK编制实例程序。
所以试验需要在windows下安装VC后进行。
VC是一个集成开发环境,其中包含了WindowsSDK所有工具和定义;所以安装了VC后就不用特意安装SDK了。
五、正文
1、实验程序的结构图(流程图);
2、数据结构及信号量定义的说明;
(1)CreateThread
●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程
●格式
HANDLECreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,
DWORDdwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,
LPVOIDlpParamiter,
DWORDdwCreationFlags,
LpdwordlpThread);
●参数说明
lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。
lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。
lpThread——保存线程标志符(32位)
(2)CreateMutex
●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象
●格式
HANDLECreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpMutexAttributes,
BOOLbInitialOwner,
LPCTSTRlpName);
●参数说明
lpMutexAttributes——必须取值NULL。
bInitialOwner——指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马上加锁)。
lpName——互斥量名称。
(3)CreateSemaphore
●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象
●格式
HANDLECreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpSemaphoreAttributes,
LONGlInitialCount,
LONGlMaximumCount,
LPCTSTRlpName);
●参数说明
lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。
lInitialCount——信号量的初始值。
该值大于0,但小于lMaximumCount指定的最大值。
lMaximumCount——信号量的最大值。
lpName——信号量名称。
(4)WaitForSingleObject
●功能——使程序处于等待状态,直到信号量hHandle出现(即其值大于等于1)或超过规定的等待时间
●格式
DWORDWaitForSingleObject(HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds);
●参数说明
hHandle——信号量指针。
dwMilliseconds——等待的最长时间(INFINITE为无限等待)。
(5)ReleaseSemaphore
●功能——对指定信号量加上一个指定大小的量。
成功执行则返回非0值
●格式
BOOLReleaseSemaphore(HANDLEhSemaphore,
LONGlReleaseCount,
LPLONGlppreviousCount);
●参数说明
hSemaphore——信号量指针。
lReleaseCount——信号量的增量。
lppreviousCount——保存信号量当前值。
(6)ReleaseMutex
●功能——打开互斥锁,即把互斥量加1。
成功调用则返回0
●格式
BOOLReleaseMutex(HANDLEhMutex);
●参数说明
hMutex——互斥量指针。
(7)InitializeCriticalSection
●功能——初始化临界区对象
●格式
VOIDInitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
(8)EnterCriticalSection
●功能——等待指定临界区对象的所有权
●格式
VOIDenterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
(9)LeaveCriticalSection
●功能——释放指定临界区对象的所有权
●格式
VOIDLeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
3、实验的步骤;
(1)打开VC,选择菜单项file->new,选择projects选项卡并建立一个名为"R_WP1"的win32consoleapplicatoin工程;创建时注意指定创建该工程的目录;
(2)在工程中创建源文件"R_WP1.cpp":
选择菜单项project->addtoproject->files,在选择框中输入自己想要创建的文件名,这里是"R_WP1.cpp";在接下来询问是否创建新文件时回答"yes";然后通过Workspace->FileView->SourceFiles打开该文件,在其中编辑源文件并保存.
(3)通过调用菜单命令项build->buildall进行编译连接,可以在指定的工程目录下得到debug->R_WP1.exe程序,然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下,就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。
需要强调的是在创建数据文件时,由于涉及到文件格式问题,最好在记事本中手工逐个输入数据,而不要拷贝粘贴数据。
4、主要算法
创建生产者和消费者线程
for(i=0;i<(int)n_Thread;i++){
if(Thread_Info[i].entity=='P')
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
else
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
}
生产者进程
voidProduce(void*p)
{
//局部变量声明;
DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
intm_serial;
//获得本线程的信息;
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay);
//开始请求生产
printf("Producer%2dsendstheproducerequire.\n",m_serial);
//确认有空缓冲区可供生产,同时将空位置数empty减1;用于生产者和消费者的同步;
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);
//互斥访问下一个可用于生产的空临界区,实现写写互斥;
wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_mutex,-1);
intProducePos=FindProducePosition();
ReleaseMutex(h_mutex);
//生产者在获得自己的空位置并做上标记后,以下的写操作在生产者之间可以并发;
//核心生产步骤中,程序将生产者的ID作为产品编号放入,方便消费者识别;
printf("Producer%2dbegintoproduceatposition%2d.\n",m_serial,ProducePos);
Buffer_Critical[ProducePos]=m_serial;
printf("Producer%2dfinishproducing:
\n",m_serial);
printf("position[%2d]:
%3d\n",ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);
//使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用,实现读写同步;
ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);
}
消费者进程
voidConsume(void*p)
{
//局部变量声明;
DWORDwait_for_semaphore,m_delay;
intm_serial,m_requestNum;//消费者的序列号和请求的数目;
intm_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列;
//提取本线程的信息到本地;
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC);
m_requestNum=((ThreadInfo*)(p))->n_request;
for(inti=0;i m_thread_request[i]=((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i]; Sleep(m_delay); //循环进行所需产品的消费 for(i=0;i //请求消费下一个产品 printf("Consumer%2drequesttoconsume%2dproduct\n",m_serial,m_thread_request[i]); //如果对应生产者没有生产,则等待;如果生产了,允许的消费者数目-1;实现了读写同步; wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1); //查询所需产品放到缓冲区的号 intBufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]); //开始进行具体缓冲区的消费处理,读和读在该缓冲区上仍然是互斥的; //进入临界区后执行消费动作;并在完成此次请求后,通知另外的消费者本处请求已 //经满足;同时如果对应的产品使用完毕,就做相应处理;并给出相应动作的界面提 //示;该相应处理指将相应缓冲区清空,并增加代表空缓冲区的信号量; EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]); printf("Consumer%2dbegintoconsume%2dproduct\n",m_serial,m_thread_request[i]); ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i]=-1; if(! IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){ Buffer_Critical[BufferPos]=-1;//标记缓冲区为空; printf("Consumer%2dfinishconsuming%2d: \n",m_serial,m_thread_request[i]); printf("position[%2d]: %3d\n",BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]); ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL); } else{ printf("Consumer%2dfinishconsumingproduct%2d\n",m_serial,m_thread_request[i]); } //离开临界区 LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]); } } 5、实验运行图; 6、实验结果分析; 只有在生产者生产了产品并将产品存放到缓冲池中消费者才能去消费,当缓冲池为空时消费者不能消费 六、结论(应当准确、完整、明确精练;也可以在结论或讨论中提出建议、设想、尚待解决问题等。 ) 七、参考文献 【1】汤子瀛等.计算机操作系统.西安电子科技大学出版社.2007年2月 【2】张尧学等编著,计算机操作系统教程,清华出版社。 2002.2 【3】严蔚敏,吴伟民编著,数据结构,清华大学出版社。 2002 【4】陈向群编著,操作系统教程,北京大学出版社,2001.07 【5】郑莉等编著,C++语言设计。 北京: 清华大学出版社.2000 八、指导教师评语 签名: 年月日 课程设计成绩 附: 课程设计源代码: #include #include #include #include #include //定义常量; //此程序允许的最大临界区数; #defineMAX_BUFFER_NUM10 //秒到微秒的乘法因子; #defineINTE_PER_SEC1000 //本程序允许的生产和消费线程的总数; #defineMAX_THREAD_NUM64 //定义一个结构,记录在测试文件中指定的每一个线程的参数 structThreadInfo { intserial;//线程序列号 charentity;//是P还是C doubledelay;//线程延迟 intthread_request[MAX_THREAD_NUM];//线程请求队列 intn_request;//请求个数 }; //全局变量的定义 //临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问; CRITICAL_SECTIONPC_Critical[MAX_BUFFER_NUM]; intBuffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM];//缓冲区声明,用于存放产品; HANDLEh_Thread[MAX_THREAD_NUM];//用于存储每个线程句柄的数组; ThreadInfoThread_Info[MAX_THREAD_NUM];//线程信息数组; HANDLEempty_semaphore;//一个信号量; HANDLEh_mutex;//一个互斥量; DWORDn_Thread=0;//实际的线程的数目; DWORDn_Buffer_or_Critical;//实际的缓冲区或者临界区的数目; HANDLEh_Semaphore[MAX_THREAD_NUM];//生产者允许消费者开始消费的信号量; //生产消费及辅助函数的声明 voidProduce(void*p); voidConsume(void*p); boolIfInOtherRequest(int); intFindProducePositon(); intFindBufferPosition(int); intmain(void) { //声明所需变量; DWORDwait_for_all; ifstreaminFile; //初始化缓冲区; for(inti=0;i Buffer_Critical[i]=-1; //初始化每个线程的请求队列; for(intj=0;j for(intk=0;k Thread_Info[j].thread_request[k]=-1; Thread_Info[j].n_request=0; } //初始化临界区; for(i=0;i InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]); //打开输入文件,按照规定的格式提取线程等信息; inFile.open("test.txt"); //从文件中获得实际的缓冲区的数目; inFile>>n_Buffer_or_Critical; inFile.get(); printf("输入文件是: \n"); //回显获得的缓冲区的数目信息; printf("%d\n",(int)n_Buffer_or_Critical); //提取每个线程的信息到相应数据结构中; while(inFile){ inFile>>Thread_Info[n_Thread].serial; inFile>>Thread_Info[n_Thread].entity; inFile>>Thread_Info[n_Thread].delay; charc; inFile.get(c); while(c! ='\n'&&! inFile.eof()){ inFile>>Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++]; inFile.get(c); } n_Thread++; } //回显获得的线程信息,便于确认正确性; for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){ intTemp_serial=Thread_Info[j].serial; charTemp_entity=Thread_Info[j].entity; doubleTemp_delay=Thread_Info[j].delay; printf("\nthread%2d%c%f",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay); intTemp_request=Thread_Info[j].n_request; for(intk=0;k printf("%d",Thread_Info[j].thread_request[k]); cout< } printf("\n\n"); //创建在模拟过程中几个必要的信号量 empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, "semaphore_for_empty"); h_mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_update"); //下面这个循环用线程的ID号来为相应生产线程的产品读写时所 //使用的同步信号量命名; for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){ std: : stringlp="semaphore_for_produce_"; inttemp=j; while(temp){ charc=(char)(temp%10); lp+=c; temp/=10; } h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str()); } //创建生产者和消费者线程; for(i=0;i<(int)n_Thread;i++){ if(Thread_Info[i].entity=='P') h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce), &(Thread_Info[i]),0,NULL); else h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume), &(Thread_Info[i]),0,NULL); } //主程序等待各个线程的动作结束; wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1); printf("
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