操作系統(tǒng)課程設(shè)計生產(chǎn)者消費者

1、<p>　?。ú僮飨到y(tǒng)課程設(shè)計）</p><p><b>　　生</b></p><p><b>　　產(chǎn)</b></p><p><b>　　者</b></p><p><b>　　和</b></p><p><b&

2、gt;　　消</b></p><p><b>　　費</b></p><p><b>　　者</b></p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué)生學(xué)號： </p><p>　　班 級： <

3、;/p><p><b>　　課程題目分析</b></p><p>　　這個題目是生產(chǎn)者向消費者提供商品，消費者消耗商品，并且兩組人共用同一緩沖區(qū)。生產(chǎn)者提供了商品之后消費者才能去取商品，消費者若不取走商品則當緩沖區(qū)用完之后生產(chǎn)者則不能再向緩沖區(qū)中添加新的商品。</p><p><b>　　思考問題：</b></p>

4、<p>　　對于生產(chǎn)者進程：每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，則需去訪問共用緩沖區(qū)是否有已滿，未滿則可以將該數(shù)據(jù)存入并通知消費者進程，否則不能。</p><p>　　對于消費者進程：每當想去消費（取出數(shù)據(jù)）時，則需訪問緩沖區(qū)是否為空，為空則不能消費（取出數(shù)據(jù)），否則可以取，并通知生產(chǎn)者。</p><p>　　緩沖區(qū)是個臨界資源，所有的進程對于該空間都是共享的，所以，還有互斥問題存在。</

5、p><p><b>　　課程設(shè)計目的</b></p><p>　　通過實驗?zāi)M生產(chǎn)者與消費者之間的關(guān)系，了解并掌握他們之間的關(guān)系及原理。由此增加對進程同步問題的了解：</p><p>　　掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者與消費者模型</p><p>　　了解windows中多線程（多進程）的并發(fā)執(zhí)行機制，線程（進程）間的同

6、步于互斥</p><p>　　學(xué)習(xí)使用windows中基本的同步對象，掌握相應(yīng)的API。</p><p><b>　　課程設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　有n個生產(chǎn)者和m個消費者，連接在具有k個單位緩沖區(qū)的有界環(huán)轉(zhuǎn)緩沖上，故又稱有界緩沖問題。其中Pi和Cj都是并發(fā)進程，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者進程Pi所生產(chǎn)的產(chǎn)品就可投入緩沖區(qū)；類似地，只要

7、緩沖區(qū)非空，消費者進程Cj就可以從緩沖區(qū)取走并消耗產(chǎn)品。</p><p><b>　　開發(fā)環(huán)境</b></p><p>　　操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)</p><p>　　編寫語言：C++語言</p><p><b>　　系統(tǒng)分析設(shè)計</b></p><p><b&g

8、t;　　算法原理</b></p><p>　　生產(chǎn)者——消費者問題是典型的進程同步問題，這些進程必須按照一定的生產(chǎn)率和消費率來訪問共享緩沖區(qū)，用P、V操作解決生產(chǎn)者和消費者共享單緩沖區(qū)的問題，可設(shè)置兩個信號量empty和full，其初值分別為1和0，empty指示能否向緩沖區(qū)放入產(chǎn)品，full指示能否從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品。為了使其協(xié)調(diào)工作，必須使用一個信號量mutex（初值為1），以限制生產(chǎn)者和消費者互斥

9、地對緩沖區(qū)進行存取，另用兩個信號量empty1（初值為緩沖區(qū)大?。┖蚮ull1（初值為0），以保證生產(chǎn)者不向已滿的緩沖區(qū)中放入產(chǎn)品，消費者不從空緩沖區(qū)中取產(chǎn)品。</p><p><b>　　功能描述</b></p><p>　　生產(chǎn)者功能描述：在同一個進程地址空間內(nèi)執(zhí)行兩個線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中供消費者線程消費。當生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時

10、，如果沒有空緩沖區(qū)可用，那么生產(chǎn)者線程必須等待消費者線程釋放出一個空緩沖區(qū)。</p><p>　　消費者功能描述：消費者線程從緩沖區(qū)獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)，當消費者線程消費物品時，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。</p><p><b>　　算法流程圖</b></p><p>　　生產(chǎn)者流程圖：

11、 消費者流程圖：</p><p><b>　　總的流程圖：</b></p><p>　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及部分函數(shù)描述</p><p>　?。?）類SeqSquare：對類SeqSquare的聲明及其中一些函數(shù)</p><p>　　class SeqSquare</p><p>

12、<b>　　{</b></p><p><b>　　public:</b></p><p>　　SeqSquare(int n);</p><p>　　~SeqSquare();</p><p>　　void P(int x);

13、 //p操作</p><p>　　void V(int x); //v操作</p><p>　　bool IsEmpty(); //判斷是否為空</p><p>　　bool IsFull();

14、 //判斷是否已滿</p><p>　　void deca();</p><p>　　void decb();</p><p>　　int getSize();</p><p>　　int getmaxSize();</p><p>　　int gettop();</p

15、><p>　　int geta();</p><p>　　int getb();</p><p>　　protected:</p><p><b>　　private:</b></p><p>　　int *elements;</p><p>　　int top,a,b,max

16、Size;</p><p><b>　　};</b></p><p>　　說明：①用動態(tài)整型數(shù)組*elements來代表緩沖區(qū)，不管是生產(chǎn)產(chǎn)品還是對已有產(chǎn)品的消費都需要訪問該緩沖區(qū)。②函數(shù)IsFull（）用于判斷緩沖區(qū)是否已滿，生產(chǎn)者能否使用緩沖區(qū)。③函數(shù)IsEmpty（）用于判斷緩沖區(qū)是否為空，消費者能否使用緩沖區(qū)。</p><p>　　生產(chǎn)

17、者和消費者操作及顯示函數(shù)showbuf：</p><p>　　void producer(SeqSquare *a) //生產(chǎn)者操作</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a->P(1);</b></p><p><b>　　}&

18、lt;/b></p><p>　　void consumer(SeqSquare *a) //消費者操作 </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a->V(1);</b></p><p><b>　　}</b>

19、;</p><p><b>　　//緩沖區(qū)顯示</b></p><p>　　void showbuf(SeqSquare *a)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i=a->getSize();</p><p><b>　　}

20、</b></p><p>　　在實現(xiàn)本程序的生產(chǎn)者消費者模型時，具體地通過以下同步對象實現(xiàn)互斥：</p><p>　?、僭O(shè)一個互斥量Mutex，以實現(xiàn)生產(chǎn)者在查詢和保留緩沖區(qū)的下一個空位置時進行互斥。</p><p>　?、诿恳粋€生產(chǎn)者用一個信號量與消費者同步，通過設(shè)置Full實現(xiàn)，該組信號量用于表示相應(yīng)產(chǎn)品以生產(chǎn)。同時用一個表示空緩沖區(qū)數(shù)目的信號量Em

21、pty進行類似的同步，指示緩沖區(qū)中是否存在空位置，以便開始生產(chǎn)下一個產(chǎn)品。</p><p><b>　　調(diào)試過程</b></p><p>　　為解決生產(chǎn)者、消費者問題，應(yīng)該設(shè)置兩個資源信號量，其中一個表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，用Full表示，其初值為用戶輸入的緩沖區(qū)的大小，另一個表示緩沖區(qū)中產(chǎn)品的數(shù)目，用Empty表示，其初值為0.另外，由于緩沖區(qū)是一個臨界資源，必須互斥使

22、用，所以還需要再設(shè)置一個互斥信號量Mutex，其初值為1.</p><p>　　在生產(chǎn)者、消費者問題中，信號量實現(xiàn)兩種功能。首先，他是生產(chǎn)產(chǎn)品和消費產(chǎn)品的計數(shù)器，計數(shù)器的初值是可使用的資源數(shù)目（緩沖區(qū)的長度）。其次，他是確保產(chǎn)品的生產(chǎn)者和消費者之間的動作同步的同步器。</p><p>　　生產(chǎn)者要生產(chǎn)一個產(chǎn)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

23、過的話，就生產(chǎn)一個產(chǎn)品，并把產(chǎn)品送人緩沖區(qū)。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。</p><p>　　消費者要消費一個產(chǎn)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(qū)取出一個產(chǎn)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。</p><p>　　如果緩沖區(qū)中已經(jīng)沒有可用

24、資源，就把申請資源的進程添加到等待隊列的隊尾。如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(quán)。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　《操作系統(tǒng)教程》 孫鐘秀 高等教育出版社</p><p>　　《C++程序設(shè)計》 譚浩強 高等教育出版社</p><p>&l

25、t;b>　　運行實例及結(jié)果分析</b></p><p><b>　　運行實例</b></p><p>　　緩沖區(qū)大小為3，先生產(chǎn)一件產(chǎn)品，顯示緩沖區(qū)，再接著生產(chǎn)一件產(chǎn)品，消耗一件產(chǎn)品，顯示緩沖區(qū)，在消耗兩件產(chǎn)品，再生產(chǎn)4件產(chǎn)品，改變緩沖區(qū)的大小為6，顯示緩沖區(qū)，選擇一個未出現(xiàn)的選項，退出程序。</p><p><b>

26、;　　結(jié)果顯示</b></p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p>　　在每個程序中需要先做P，后做V，二者要成對出現(xiàn)，夾在二者中間的代碼段就是該進程的臨界區(qū)。</p><p>　　對同步信號量full和empty的P,V操作同樣必須成對出現(xiàn)，但它們分別位于不同的程序中。</p><p>　

27、?。?）無論在生產(chǎn)者進程中還是消費者進程中，兩個P操作的次序不能顛倒：應(yīng)先執(zhí)行同步信號量的P操作，然后執(zhí)行互斥信號量的P操作。否則可能造成進程死鎖。</p><p><b>　　七、個人體驗</b></p><p>　　雖然我也很想用java語言寫這個程序，但是由于自己學(xué)藝不精，所以只能用C++寫。通過這個實驗我發(fā)現(xiàn)我以前有很多知識都忘記了，重新拿起課本學(xué)習(xí)時發(fā)現(xiàn)原來

28、很多不懂得問題都有了新的認識，有一種豁然開朗的感覺。也為我考研開了一個好的開頭。</p><p>　　我認為我完成的這個設(shè)計做的比較出色的地方是對C++語言中類以及數(shù)組的運用，其實這里我對數(shù)組的操作是按照“先進先出”的方法進行運作的，這是參考了棧的工作原理，因為緩沖區(qū)一般也是堆棧，比較符合設(shè)計要求。</p><p>　　這次實驗中我感覺做的很粗糙，自己所想的模擬過程的確得到實現(xiàn)了，但是感覺

29、靈活性不太高，思考還不過全面，應(yīng)該以后多注意一下，多考慮考慮才是。</p><p>　　在這次實驗中我重新將《C++程序設(shè)計》和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的幾個重要章節(jié)復(fù)習(xí)了一遍，對類、數(shù)組、C++的I/O流類庫以及堆棧的語句格式、注意細節(jié)都再一次熟悉，感覺蠻有趣的。不過，在編程過程中許多語句的小問題還真是出現(xiàn)不少，而且感覺自己對C++強大豐富的語句方法用得太呆板，不夠靈活，總是想到那些常用的，而忽略了顆粒讓語句更簡短的方法，

30、以后要多多注意才是。</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　// 生產(chǎn)者消費者1.cpp : Defines the entry point for the console application.</p><p><b>　　//</b></p><p>　　#includ

31、e "stdafx.h"</p><p>　　#include "iostream"</p><p>　　using namespace std;</p><p>　　class SeqSquare</p><p><b>　　{</b></p><p>&

32、lt;b>　　public:</b></p><p>　　SeqSquare(int n);</p><p>　　~SeqSquare();</p><p>　　void P(int x); //p操作</p><p>　　void V

33、(int x); //v操作</p><p>　　bool IsEmpty(); //判斷是否為空</p><p>　　bool IsFull();

34、 //判斷是否已滿</p><p>　　void deca();</p><p>　　void decb();</p><p>　　int getSize();</p><p>　　int getmaxSize();</p><p>　　int gettop();</p><p

35、>　　int geta();</p><p>　　int getb();</p><p>　　protected:</p><p><b>　　private:</b></p><p>　　int *elements;</p><p>　　int top,a,b,maxSize;</p

36、><p><b>　　};</b></p><p>　　bool SeqSquare::IsEmpty() //判斷是否為空</p><p><b>　　{</b></p><p>　　return(top==-1)?tr

37、ue:false;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　bool SeqSquare::IsFull() //判斷是否已滿</p><p><b>　　{</b></p><p>　　ret

38、urn(top>=maxSize-1)?true:false;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void SeqSquare::deca()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a--;</b></p>

39、;<p><b>　　}</b></p><p>　　void SeqSquare::decb()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　b--;</b></p><p><b>　　}</b></p>

40、;<p>　　int SeqSquare::getSize()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　return top+1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int SeqSquare::getmaxSize()</p>

41、<p><b>　　{</b></p><p>　　return maxSize;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int SeqSquare::gettop()</p><p><b>　　{</b></p><p

42、>　　return top;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int SeqSquare::geta()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　return a;</b></p><p>&

43、lt;b>　　}</b></p><p>　　int SeqSquare::getb()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　return b;</b></p><p><b>　　}</b></p><p&

44、gt;　　SeqSquare::SeqSquare(int n)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　top =-1;</b></p><p><b>　　a = b =0;</b></p><p>　　maxSize = n;</p>

45、;<p>　　elements = new int[maxSize];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void SeqSquare::P(int x)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(IsFull()==true)<

46、/p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a=a+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b>&

47、lt;/p><p>　　elements[++top] = x;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void SeqSquare::V(int x)</p><p><b>　　{</b>&l

48、t;/p><p>　　if(IsEmpty()==true)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　b = b+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b&g

49、t;</p><p><b>　　{</b></p><p>　　x = elements[top--];</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void producer(SeqSquare

50、 *a) //生產(chǎn)者操作</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a->P(1);</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void consumer(SeqSquare *a)

51、 //消費者操作 </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a->V(1);</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　SeqSquare::~SeqSquare()</p><p&g

52、t;<b>　　{</b></p><p>　　delete elements; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//緩沖區(qū)顯示</b></p><p>　　void showbuf(SeqSquare *a)</p><

53、;p><b>　　{</b></p><p>　　int i=a->getSize();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b&g

54、t;　　int i,n;</b></p><p>　　cout<<"請輸入緩沖區(qū)大?。?quot;<<endl;</p><p><b>　　cin>>n;</b></p><p>　　SeqSquare *s;</p><p>　　s = new SeqSqua

55、re(n);</p><p>　　while(i!=4)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　cout<<"請選擇操作： "<<endl;</p><p>　　cout<<"1.生產(chǎn)一件產(chǎn)品；2.消

56、費一件產(chǎn)品"<<endl;</p><p>　　cout<<"3.顯示緩沖區(qū)； 4.退出系統(tǒng)。 "<<endl;</p><p>　　cout<<"5.需要改變緩沖區(qū)大?。?"<<endl;</p><p><b>　　cin&g

57、t;>i;</b></p><p><b>　　switch(i)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　case 1:</b></p><p>　　producer(s);</p><p>　　i

58、f (s->geta()==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　cout<<endl<<"成功生產(chǎn)一件商品！"<<endl<<endl;</p><p><b>　　}</b></p><p>&

59、lt;b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　cout<<endl<<"沒有空間供生產(chǎn)者生產(chǎn)！"<<endl<<endl;</p><p>　　s->deca();</p><p>&

60、lt;b>　　}</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 2:</b></p><p>　　consumer(s);</p><p>　　if (s->getb()==0)</p><p><

61、;b>　　{</b></p><p>　　cout<<endl<<"成功消費一件商品！"<<endl<<endl;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p&g

62、t;<b>　　{</b></p><p>　　cout<<endl<<"沒有產(chǎn)品供消費者消費！"<<endl<<endl;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　break;</b></p>

63、<p><b>　　case 3:</b></p><p>　　showbuf(s);</p><p>　　cout<<endl<<"緩沖區(qū)已占用："<<s->getSize()<<" "<<"可用空間為："<<(

64、n-s->getSize())<<endl<<endl;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 4:</b></p><p>　　cout<<endl<<"成功退出程序！"<<endl&l

65、t;<endl;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 5:</b></p><p>　　cout<<endl<<"請輸入緩沖區(qū)大小："<<endl;</p><p><b>　

66、　cin>>n;</b></p><p>　　s = new SeqSquare(n);</p><p>　　cout<<endl<<"緩沖區(qū)大小已發(fā)生改變，數(shù)據(jù)已清除！"<<endl<<endl;</p><p><b>　　break;</b><

67、;/p><p><b>　　default:</b></p><p>　　cout<<endl<<"輸入操作不正確，請重新輸入！"<<endl<<endl;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>