用多线程同步方法解决生产者消费者问题.docx

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用多线程同步方法解决生产者消费者问题

武汉理工大学华夏学院

课程设计报告书

课程名称：

操作系统原理

题目：

用多线程同步方法解决生产者－消费者问题

系名：

信息工程系

专业班级：

软件1091班

姓名：

千里锋行

学号：

指导教师:

赵传斌苏永红

2011年12月21日

课程设计任务书

学生姓名：

千里锋行专业班级：

软件1091

指导教师：

苏永红工作单位：

设计题目：

用多线程同步方法解决生产者－消费者问题

初始条件：

1．操作系统：

Linux

2．程序设计语言：

C语言

3．有界缓冲区内设有20个存储单元，其初值为0。

放入／取出的数据项按增序设定为1－20这20个整型数。

要求完成的主要任务:

主要任务：

通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制。

有界缓冲区内设有20个存储单元，放入／取出的数据项设定为1~20这20个整型数。

（1）每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显示有界缓冲区的全部内容、当前指针位置和生产者／消费者线程的标识符。

（2）生产者和消费者各有两个以上。

（3）多个生产者或多个消费者之间须共享对缓冲区进行操作的函数代码。

提示:

（1）有界缓冲区/连续存储区可用数组实现。

（2）编译命令可用：

　　　　　gcc-lpthread-o　目标文件名　　源文件名

（3）多线程编程方法参见电子文档。

设计报告撰写格式要求：

1设计题目与要求2设计思想

3系统结构4数据结构的说明和模块的算法流程图

5使用说明书（即用户手册）：

内容包含如何登录、退出、读、写等操作说明

6运行结果和结果分析（其中包括实验的检查结果、程序的运行情况）

7自我评价与总结

8附录：

程序清单，注意加注释（包括关键字、方法、变量等），在每个模块前加注释；时间安排

12月19日布置课程设计任务；分配题目后，查阅资料、准备程序；

12月19～12月21日上机调试程序、书写课程设计报告；

12月22日提交课程设计报告及相关文档。

指导教师签字：

2011年12月17日

系主任签字：

2011年12月18日

一．设计题目与要求

1设计目的

通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者问题（Producer-ConsumerProblem）的并发控制。

2设计要求

1）为每个生产者／消费者产生一个线程，设计正确的同步算法

2）每个生产者/消费者对该存储区进行操作后，即时显示该存储区的全部内容、当

前指针位置和生产者/消费者线程的自定义标识符。

3）生产者和消费者各有两个以上。

4）多个生产者/消费者之间须共享对存储区进行操作的函数代码。

二．设计思想

本次课设涉及到同步信号量和互斥信号量的应用，在这里我用线程的同步和互斥来实现。

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。

在本问题中,共需要一个Mutex和两个Semaphore，其中Mutex是来用锁定临界区的,以解决对共享数据buffer的互斥访问问题（无论是对生成者还是对消费者）;我们共需要两个Semaphore,这是因为在本问题中共有两个稀缺资源.第一种是"非空"这种资源,是在消费者之间进行竞争的；第二种是"非满"这种资源,是在生产者之间进行竞争的.所以,一般来说,需要锁定临界区,就需要Mutex;有几种稀缺资源就需要几个Semaphore.

稀缺资源不一定是指被共享的资源,很多时候是指线程会被阻塞的条件（除了要进临界区被阻塞外）.

在生产者消费者问题中,消费者会在缓冲区为空时被阻塞,所以"非空"是一种稀缺资源。

需要设置一个信号量consumer_semaphore,初值设为0，生产者会在缓冲区为满时被阻塞,所以"非满"也是一种稀缺资源.需要设置一个信号量producer_semaphore,初值设为buffer的大小MAX_BUFFER。

三．系统结构

四．数据结构的说明和模块的算法流程图

五．使用说明书

1.宏的意义：

N：

消费者或者生产者的数目

M：

缓冲区的数目

2.程序的运行

a．打开linux的终端；

b．编译程序，输入命令

gcc–odyb–pthread;

./dyb

3.显示结果

程序运行后不需要接受用户输入，直接显示运行结果。

六．运行结果和结果分析

[dj@softeem~]$ls

公共的模板视频图片文档下载音乐桌面

[dj@softeem~]$gcc-odyb-pthread

[dj@softeem~]$./dyb

producer1in0:

10000000000000000000

customer1in0:

00000000000000000000

producer2in1:

01000000000000000000

customer2in1:

00000000000000000000

producer1in2:

00100000000000000000

customer1in2:

00000000000000000000

producer2in3:

00010000000000000000

customer2in3:

00000000000000000000

producer1in4:

00001000000000000000

customer1in4:

00000000000000000000

producer2in5:

00000100000000000000

customer2in5:

00000000000000000000

producer1in6:

00000010000000000000

customer1in6:

00000000000000000000

producer2in7:

00000001000000000000

customer2in7:

00000000000000000000

producer1in8:

00000000100000000000

customer1in8:

00000000000000000000

producer2in9:

00000000010000000000

customer2in9:

00000000000000000000

producer1in10:

00000000001000000000

customer1in10:

00000000000000000000

producer2in11:

00000000000100000000

customer2in11:

00000000000000000000

producer1in12:

00000000000010000000

customer1in12:

00000000000000000000

producer2in13:

00000000000001000000

customer2in13:

00000000000000000000

producer1in14:

00000000000000100000

customer1in14:

00000000000000000000

producer2in15:

00000000000000010000

customer2in15:

00000000000000000000

producer1in16:

00000000000000001000

customer1in16:

00000000000000000000

producer2in17:

00000000000000000100

customer2in17:

00000000000000000000

producer1in18:

00000000000000000010

customer1in18:

00000000000000000000

producer2in19:

00000000000000000001

customer2in19:

00000000000000000000

对于此程序，有20个缓冲区，定义了两个生产者和两个消费者，生产者和消费者是模拟的现实中的生产与消费的关系，生产者生产产品时占用一个线程，消费者取一个产品时启用一个线程，生产产品和消费产品是利用锁来实现的。

但是最后还是有问题没能解决好，就是生产一个消费一个，缓冲区就没有利用好。

七．自我评价与总结

本次课程设计，听了邓君老师几天的讲解，见识到了他的年轻有为，也让自己对IT行业有了更深的向往。

同时也加深了一些对多线程编程方法的理解，和使用信号量同步进/线程的技巧。

上课时看邓老师演示在linux下编写一个多人聊天的小程序，我在下面也跟住做。

几次遇到了问题，老师都及时耐心的给我解决。

最后我也跟着老师敲代码，虽然只是敲代码，不是自己的思想写出来的，但是万事开头难，我觉得只要我动手了，就成功了一半。

在跟着老师做的过程中，我体会到了自己的不足，很多地方都不懂，但是我觉得在这个阶段对一些比较深的东西也不一定要处处都弄懂，有时候子要自己跟着做，会用，久而久之也会随着经验的加深而慢慢弄懂，这虽然是一种不求甚解的态度，但在初级编程中往往是很有用的。

本次课程设计的程序更具要求定义了20个缓冲区，基本上能顺利解决生产者消费者问题，但也存在很多不足之处。

因为程序都是根据别人的来的，所以往往想加入自己的想法，比如随机函数解决随机的问题时遇到障碍，最后由于出现的错误太多，时间不够，所以只得放弃，只能在一些小的边边角角上稍加改动，试着去体会这个程序的思想。

设计过程中质疑（或答辩）记载：

1.谈谈你对多线程的理解。

答：

在一个程序中，独立运行的程序片断叫作“线程”（Thread），利用它编程的概念就叫作“多线程处理”。

多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率。

线程是在同一时间需要完成多项任务的时候实现的。

2.此程序的不足之处

答：

定义了20个缓冲区，但是每次只利用到1个缓冲区，造成了资源的浪费，没有起到随机的作用。

我曾尝试用随机函数去解决，但是没能成功。

指导教师评语：

签名：

年月日

七．附录

程序清单：

#include<>

#include<>

#include<>

#include<>

#include<>

#defineN2//消费者或者生产者的数目

#defineM20//缓冲数目

intin=0;//生产者放置产品的位置

intout=0;//消费者取产品的位置

intbuff[M]={0};//缓冲初始化为0，开始时没有产品

sem_tempty_sem;//同步信号量，当满了时阻止生产者放产品

sem_tfull_sem;//同步信号量，当没产品时阻止消费者消费

pthread_mutex_tmutex;//互斥信号量，一次只有一个线程访问缓冲

intproduct_id=0;//生产者id

intprochase_id=0;//消费者id

/*打印缓冲情况*/

voidprint（）

{

inti;

for（i=0;i

printf（"%d",buff[i]）;

printf（"\n"）;

}

/*生产者方法*/

void*product（）

{

intid=++product_id;

while

（1）

{

//用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察

sleep

（1）;

//sleep

（1）;

sem_wait（&empty_sem）;

pthread_mutex_lock（&mutex）;

in=in%M;

printf（"producer%din%d:

",id,in）;

buff[in]=1;

print（）;

++in;

pthread_mutex_unlock（&mutex）;

sem_post（&full_sem）;

}

}

/*消费者方法*/

void*prochase（）

{

intid=++prochase_id;

while

（1）

{

//用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察

sleep

（1）;

//sleep

（1）;

sem_wait（&full_sem）;

pthread_mutex_lock（&mutex）;

out=out%M;

printf（"customer%din%d:

",id,out）;

buff[out]=0;

print（）;

++out;

pthread_mutex_unlock（&mutex）;

sem_post（&empty_sem）;

}

}

intmain（）

{

pthread_tid1[N];

pthread_tid2[N];

inti;

intret[N];

//初始化同步信号量

intini1=sem_init（&empty_sem,0,M）;

intini2=sem_init（&full_sem,0,0）;

if（ini1&&ini2!

=0）

{

printf（"seminitfailed\n"）;

exit

（1）;

}

//初始化互斥信号量

intini3=pthread_mutex_init（&mutex,NULL）;

if（ini3!

=0）

{

printf（"mutexinitfailed\n"）;

exit

（1）;

}

//创建N个生产者线程

for（i=0;i

{

ret[i]=pthread_create（&id1[i],NULL,product,（void*）（&i））;

if（ret[i]!

=0）

{

printf（"product%dcreationfailed\n",i）;

exit

（1）;

}

}

//创建N个消费者线程

for（i=0;i

{

ret[i]=pthread_create（&id2[i],NULL,prochase,NULL）;

if（ret[i]!

=0）

{

printf（"prochase%dcreationfailed\n",i）;

exit

（1）;

}

}

//销毁线程

for（i=0;i

{

pthread_join（id1[i],NULL）;

pthread_join（id2[i],NULL）;

}

exit（0）;

}