进程同步模型系统的设计吃水果.docx

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进程同步模型系统的设计吃水果

课程设计

课程设计任务书

学生姓名：

Miss屠专业班级：

08计科

指导教师：

王海英工作单位：

计算机科学与技术学院

题目:

进程同步模型系统的设计——吃水果问题

初始条件：

1．预备内容：

阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制度有深入的理解。

2．实践准备：

掌握一种计算机高级语言的使用。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1．为下面吃水果的问题创建进程并利用通信API实现进程之间的同步模型。

能够处理以下的情形：

桌子上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或者取出一个水果。

爸爸专门向盘子中放苹果，妈妈专门向盘子中放橘子，两个儿子专门等待吃盘子中的橘子，两个女儿专门等吃盘子中的苹果。

2．设计报告内容应说明：

⑴课程设计目的与功能；

⑵需求分析，数据结构或模块说明（功能与框图）；

⑶源程序的主要部分；

⑷运行结果与运行情况分析；

⑸自我评价与总结：

）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色；

）什么地方做得不太好，以后如何改正；

）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）；

）完成本题是否有其他的其他方法（如果有，简要说明该方法）；

时间安排：

设计安排一周：

周1、周2：

完成程序分析及设计。

周2、周3：

完成程序调试及测试。

周4、周5：

撰写课程设计报告。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

进程同步模型系统的设计

——吃水果问题

1、课程设计目的与功能

1.1、目的

为下面吃水果的问题创建进程并利用通信API实现进程之间的同步模型。

能够处理以下的情形：

桌子上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或者取出一个水果。

爸爸专门向盘子中放苹果，妈妈专门向盘子中放橘子，两个儿子专门等待吃盘子中的橘子，两个女儿专门等吃盘子中的苹果。

1.2、实现的功能

本程序共创建了4个在windows系统环境下实现的线程，即Fahter、Mother、Son和Daughter等4个线程，以及putapple、putorange、getapple和getorange等4个函数，其中4个线程是用于实现爸爸、妈妈、儿子和女儿分别放水果和取水果的线程操作的，并分别调用这4个函数，来实现真正的操作。

在本程序中还设置了mutex互斥信号、empty、apple和orange等信号量，用于各线程之间获取资源和放弃资源等的线程之间的操作控制，并且设置了盘子容量上线常量content。

其主要功能是用于实现爸爸和妈妈这2个互斥线程对于资源的使用操作以及爸爸和女儿、妈妈和儿子这2组同步线程对于资源的操作。

2、需求分析

当计算机中两个或者多个进程在执行时需要使用公用缓冲区，并且对该缓冲区采取了互斥措施，这时如果并发执行这些进程的时候就会造成CPU时间的极大浪费，这是操作系统设计要求不允许的。

而这种现象在操作系统和用户进程中大量存在。

因此为了解决这一问题，提出了同步的概念，即把异部环境下的一组并发进程，因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。

在本系统中，爸爸与妈妈、儿子与女儿的线程操作是互斥的，但是爸爸与女儿、妈妈与儿子线程之间的操作是同步的。

因此要利用进程同步的方法来实现这几者之间的操作，当然其中也包含着互斥进程，因为盘子每次只能放入或者取出一个水果。

因为是在windows操作系统下实现的，所以是采用线程的方法实现的。

3、整体功能及设计

3.1数据结构的设计

在此次程序中一共涉及到线程、函数、互斥信号、信号量和常变量。

3.1.1线程

线程是指进程内的一个执行单元，也是进程内的可调度实体。

单个进程在任何给定时刻，可能有不止一个线程在运行。

但进程启动的同时启动了一个线程，该线程被称作主线程或执行线程。

一个进程除启动主线程外还可以启动多个线程，每个线程都共享进程的地址空间，并且共享着进程的地址空间及各种资源。

线程可以继续创建子线程。

如果主线程退出，主线程下的所有子线程将失败。

线程的创建格式如下：

其中括号中则需要列出该函数的各形参或者实参。

该函数的返回值为线程的句柄。

HANDLECreateThread（）；

CreateThread函数参数说明

参数

描述

lpThreadAttibutes

指向安全属性的指针

dwStackSize

初始线程栈大小

lpStratAddress

指向线程函数的指针

lpParameter

新线程参数

dwCreationFlags

创建标志

lpThreadId

指向存放线程ID的指针

在本程序中使用了Father、Mother、Son和Daughter等共4个线程。

Father、Mother线程的作用是模拟实现向盘子中放苹果或者橘子的操作，当主程序执行之后创建了Father或者Mother线程，则该线程会独自占用整个资源，并执行putapple或者putorange函数来实现操作，在执行Father或者Mother线程时，首先会将信号量empty减1，来说明盘子中已经放置了一个水果，之后将互斥信号mutex置0，来说明盘子已经被占用，其他进程无法占用。

当实现了putapple或者putorange后，该线程会置mutex为1，来释放资源，表明该资源可以被其他线程所使用。

接下来将apple或者orange信号进行相应的设置，表明在盘子中已经放置了苹果或者橘子，Daughter或者Son线程可以从盘子中取苹果或者橘子了。

Daughter、Son线程的作用是模拟实现从盘子中取出苹果或者橘子的操作，当主程序中执行过Father或者Mother线程之后会释放资源，这时候Daughter或者Son线程便得到了资源，在得到资源即盘子后会首先将apple或者orange信号量进行设置，恢复原来的数值以表明盘子中的水果情况，并且将mutex互斥信号进行设置，表示资源正在被占用。

在实现了getapple或者getorange后，便对mutex互斥信号进行设置，以释放资源。

3.1.2函数

若干个函数组成一个程序文件，若干个程序文件组成一个完整的程序，因此函数是程序的基本组成部分。

在本程序中共创建了putapple（）、putorange（）、getapple（）和getorange（）等4个功能函数，分别用来模拟实现放苹果、放橘子、取苹果和取橘子的操作。

主函数main（）主要作用就是为Father、Mother、Son和Daughter这四个线程服务，创建这几个线程，并在这些线程执行完毕后销毁它们。

主函数中Sleep（）函数，控制主线程休眠一段时间，并在此期间执行其他其他子线程，在休眠时间过后主线程执行完，整个程序执行完毕。

3.1.3互斥信号和信号量

线程同步的方法有很多，最常用的有互斥（CMutex）、临界（CriticalSection）、信号量（Semaphore）和事件（Event）。

但本程序只用到了互斥和信号量。

其中mutex是各线程之间的互斥信号，当一个线程占用了资源之后，其他线程在没接收到通知的时候即互斥信号为0时便无法使用资源。

empty、apple和orange为3个信号量，分别来表示资源的使用状态，各线程根据这3个信号量来了解资源状态和使用资源。

这3个信号量的变化范围为0~content，content为盘子的容量，也是资源的容量。

3.2程序实现框图

3.2.1main函数

3.2.2Father、Mother线程

3.2.3Son、Daughter线程

4、编程实现

4.1各线程的声明：

DWORDWINAPIFather（LPVOIDlpParameter）;//Father线程

DWORDWINAPIMother（LPVOIDlpParameter）;//Mother线程

DWORDWINAPISon（LPVOIDlpParameter）;//Son线程

DWORDWINAPIDaughter（LPVOIDlpParameter）;//Daughter线程

4.2各信号量、互斥信号和常变量

HANDLEmutex;//互斥信号mutex

HANDLEempty;//信号量empty

HANDLEapple;//信号量apple

HANDLEorange;//信号量orange

constintcontent=2;//常变量mutex

4.3个函数的声明

voidputapple（）;

voidputorange（）;

voidgetapple（）;

voidgetorange（）;

4.4主函数的程序代码

voidmain（）

{

mutex=CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）;//创建mutex

empty=CreateSemaphore（NULL,content,content,NULL）;//创建empty

apple=CreateSemaphore（NULL,0,content,NULL）;//创建apple

orange=CreateSemaphore（NULL,0,content,NULL）;//创建oarnge

HANDLEhThread1;

HANDLEhThread2;

HANDLEhThread3;

HANDLEhThread4;

hThread1=CreateThread（NULL,0,Father,NULL,0,NULL）;//创建Father线程

hThread2=CreateThread（NULL,0,Mother,NULL,0,NULL）;//创建Mother线程

hThread3=CreateThread（NULL,0,Son,NULL,0,NULL）;//创建Son线程

hThread4=CreateThread（NULL,0,Daughter,NULL,0,NULL）;//创建Daughter线程

CloseHandle（hThread1）;//销毁Father线程

CloseHandle（hThread2）;//销毁Mother线程

CloseHandle（hThread3）;//销毁Son线程

CloseHandle（hThread4）;//销毁Daughter线程

Sleep（35000）;//主程序将在30秒后结束

}

4.5各线程的程序代码

DWORDWINAPIFather（LPVOIDlpParameter）//Father线程实现

{

while

（1）

{

WaitForSingleObject（empty,INFINITE）;

WaitForSingleObject（mutex,INFINITE）;

putapple（）;

Sleep（1500）;

ReleaseMutex（mutex）;

ReleaseSemaphore（apple,1,NULL）;

}

}

DWORDWINAPIMother（LPVOIDlpParameter）//Mother线程实现

{

while

（1）

{

WaitForSingleObject（empty,INFINITE）;