用多线程同步方法解决生产者-消费者问题(操作系统课设)

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1、学 号： 题 目用多线程同步方法解决生产者消费者问题(Producer-Consumer Problem)学 院 物理学与电子信息工程学院专 业电子信息工程班 级08电信本一班姓 名指导教师2010年12月日 目 录目 录1课程设计任务书1正 文21.设计目的与要求21.1设计目的21.2设计要求22.设计思想及系统平台22.1设计思想22.2系统平台及使用语言33.详细算法描述34.源程序清单65.运行结果与运行情况96.调试过程117.总结12课程设计任务书题目: 用多线程同步方法解决生产者消费者问题 (Producer-Consumer Problem) 初始条件：1 操作系统：Linu

2、x2 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120这20个整型数。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技术要求：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当前全部内容、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）多个生产者或多个消费者之间须共享对缓冲区进行操作的函数代码。2 设计说明书内容要求：1)设计题目与要求2)总的设计思想及系统平台、语言、工具等。3）数据结构与模块说

3、明（功能与流程图）4）给出用户名、源程序名、目标程序名和源程序及其运行结果。（要注明存储各个程序及其运行结果的主机IP地址和目录。）5）运行结果与运行情况（提示: （1）有界缓冲区可用数组实现。（2）编译命令可用：cc -lpthread -o 目标文件名源文件名（3）多线程编程方法参见附件。） 3. 调试报告：1)调试记录2)自我评析和总结 正 文1.设计目的与要求1.1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-Consumer Problem)的并发控制。1.2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

4、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。2.设计思想及系统平台2.1设计思想在本问题中,共需要一个Mutex和两个Semaphore.其中,Mutex是用来锁定临界区的,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Mu

5、tex;有几种稀缺资源就需要几个Semaphore.对稀缺资源的分析不能想当然.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_BUFFER2.2系统平台及使用语言本课程设计在Linux操作系统下，使用C语言完成。用到的工具主要有GCC编译器和VI编辑器。3.详细算法

6、描述共享数据：Semaphore buffer_mutex=1；Semaphore producer_semaphore=MAX_BUFFER；Semaphore consumer_semaphore=0；int bufferMAX_BUFFER;Producer线程的处理函数：while(1)Wait(producer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Bufferpn=product;pn=(pn+1)%MAX_BUFFER;Signal(consumer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();producer线程的处理函

7、数流程图如下：consumer线程的处理函数:while(1)Wait(consumer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Consume=buffercn;cn=(cn+1)%MAX_BUFFER;Signal(producer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();consumer线程的处理函数流程图如下：4.源程序清单用户名：rj（IP：192.168.2.254）源程序名：/home/rj/pc.c目标程序名：/home/rj/pc运行结果：/home/rj/output.txt源程序清单如下：#include#inc

8、lude#include#include#include#include#include#include#include#include/生产者的个数#define NUM_THREADS_P 5 /消费者的个数#define NUM_THREADS_C 5/缓冲区的大小 #define MAX_BUFFER 20 /运行的时间#define RUN_TIME 20/缓冲区的数组int bufferMAX_BUFFER; int produce_pointer=0,consume_pointer=0;sem_t producer_semaphore,consumer_semaphore,buf

9、fer_mutex;pthread_t threads_pNUM_THREADS_P; /*producer*/pthread_t threads_cNUM_THREADS_C; /*consumer*/FILE* fd; void *producer_thread(void *tid);void *consumer_thread(void *tid);void showbuf();void handler()int i;for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)/送终止信号给thread线程，如果成功则返回0，否则为非0值。发送成功并不意味着thread/会终止。pthread_c

10、ancel(threads_pi);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_cancel(threads_ci);int main()int i;signal(SIGALRM,handler);fd=fopen(output.txt,w); /*open a file to save the result*/sem_init(&producer_semaphore,0,MAX_BUFFER); /*set the value of semaphores*/sem_init(&consumer_semaphore,0,0);sem_init(&buffer_mutex

11、,0,1);for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)bufferi=0; /*initiate the buffer*/*create the threads*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_create(&threads_pi,NULL,(void*)producer_thread,(void*)(i+1);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_create(&threads_ci,NULL,(void*)consumer_thread,(void *)(i+1);alarm(RUN_TIME); /*set time

12、 to run*/*wait the threads to exit*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_join(threads_pi,NULL);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_join(threads_ci,NULL);/*destroy the semaphores*/sem_destroy(&producer_semaphore); sem_destroy(&consumer_semaphore);sem_destroy(&buffer_mutex);fclose(fd);return 0;void *produc

13、er_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);while(1)sem_wait(&producer_semaphore);srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to produce*/while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer);sem_wait(&buffer_

14、mutex);bufferproduce_pointer=rand()%20+1;produce_pointer=(produce_pointer+1)%20;if(produce_pointer=0) /*if buffer was filled to the 19th*/printf(producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,19,buffer19);fprintf(fd,producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,19,buffer19);elseprintf(producer:

15、%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);fprintf(fd,producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /*inform the consumer the buffer is not empty*/sr

16、and(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue producing*/return (void*)0);void *consumer_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);while(1)/信号等待sem_wait(&consumer_semaphore);/获取种子srand(int)t

17、ime(NULL)*(int)tid);/休眠一到两秒sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to consume*/sem_wait(&buffer_mutex);printf(consumer:%d pointer_c:%2d consumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);fprintf(fd,consumer:%d pointer_c:%2d consumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);buf

18、ferconsume_pointer=0;consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&producer_semaphore); srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue consuming*/return (void*)0);/*show the content of buffer*/void showbuf()int i;printf(buff

19、er:);fprintf(fd,buffer:);for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)printf(%2d ,bufferi);fprintf(fd,%2d ,bufferi);printf(nn);fprintf(fd,nn);5.运行结果与运行情况程序运行结果如下：producer:1 pointer_p: 0 produced:20buffer:20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 1 produced:13buffer:20 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

20、 0 0 0 producer:2 pointer_p: 2 produced: 6buffer:20 13 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 3 produced:14buffer:20 13 6 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 4 produced:20buffer:20 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 0 consumed:20buf

21、fer: 0 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p: 5 produced:20buffer: 0 13 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 1 consumed:13buffer: 0 0 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 2 consumed: 6buffer: 0 0 0 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

22、 0 0 0 consumer:4 pointer_c: 3 consumed:14buffer: 0 0 0 0 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 4 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 6 produced: 1buffer: 0 0 0 0 0 20 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 7 produced:14buffe

23、r: 0 0 0 0 0 20 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 5 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 8 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 6 consumed: 1buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 pro

24、ducer:5 pointer_p: 9 produced: 8buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 7 consumed:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 8 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:10 produced:18buffer: 0 0 0 0 0

25、0 0 0 0 8 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 9 consumed: 8buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:11 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p:12 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 10 0 0 0 0 0 0 0 consumer:4 poi

26、nter_c:10 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p:13 produced: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c:11 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c:12 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0

27、 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:14 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c:13 consumed: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:15 produced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 18 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c:14 con

28、sumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:16 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 0 0 0 producer:3 pointer_p:17 produced:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 19 0 0 consumer:1 pointer_c:15 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

29、 6 19 0 0 producer:5 pointer_p:18 produced: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 7 0 consumer:3 pointer_c:16 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 0 producer:4 pointer_p:19 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 14 consumer:5 pointer_c:17 consumed:19bu

30、ffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 14 consumer:4 pointer_c:18 consumed: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 producer:1 pointer_p: 0 produced: 4buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 consumer:2 pointer_c:19 consumed:14buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 co

31、nsumer:1 pointer_c: 0 consumed: 4buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 1 produced:15buffer: 0 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 2 produced:13buffer: 0 15 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 3 produced: 3buffer: 0 15 13

32、 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 说明： “producer:2”是指自定义标号为2的producer，“pointer_p:3”是指该producer的指针，“produced:3”是指该producer在buffer3里写入3，“buffer: 0 15 13 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”是指该producer进行写操作后存储区的内容。6.调试过程通过这次课程设计,不但加深了对操作系统这们课程的认识,而且还了解了操作系统中使用信号量解决生产者消费者问题算法的实现。比如：用信号量解决生产者消费者问题时，可以通过一个

33、有界缓冲区(用数组来实现，类似循环队列)把生产者和消费者联系起来。假定生产者和消费者的优先级是相同的，只要缓冲区未满，生产者就可以生产产品并将产品送入缓冲区。类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中去走产品并消费它。为了解决生产者/消费者问题，应该设置两个资源信号量，其中一个表示空缓冲区的数目，用producer_semaphore表示，其初始值为有界缓冲区的大小SIZE_OF_BUFFER；另一个表示缓冲区中产品的数目，用consumer_semaphore表示，其初始值为0。另外，由于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以还需要再设置一个互斥信号量buffer_mutex，起初

34、值为1。在生产者/消费者问题中，信号量实现两种功能。首先，它是生产产品和消费产品的计数器，计数器的初始值是可利用的资源数 目(有界缓冲区的长度)。其次，它是确保产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器。生产者要生产一个产品时，首先对资源信号量producer_semaphore和互斥信号量buffer_mutex进行wait操作，申请资源。如果可以通过的话，就生产一个产品，并把产品送入缓冲区。然后对互斥信号量buffer_mutex和资源信号量consumer_semaphore进行signal操作，释放资源。消费者要消费一个产品时，首先对资源信号量consumer_semaphore和互斥信

35、号量buffer_mutex进行wait操作，申请资源。如果可以通过的话，就从缓冲区取出一个产品 并消费掉。然后对互斥信号量buffer_mutex和资源信号量producer_semaphore进行signal操作，释放资源。7.总结通过本次课程设计，我巩固了使用多线程编程的方法，和使用信号量同步进/线程的技巧。本次课程设计的程序的运行结果跟预期的一致，说明该程序能顺利解决生产者消费者问题，实现了本次课程设计的目的。加深了对操作系统这们课程的认识,而且还了解了操作系统中使用信号量解决生产者消费者问题算法的实现。我更进一步地了解了的线程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制全过程，对多线程的同步机制有了更深的理解，尤其是互斥锁、信号量的作用场合及用法。 嘉定吊车出租 k1cwnHRxX03x123