《操作系统》课程设计说明书用多线程同步方法解决生产者－消费者问题

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1、操作系统课程设计说明书 目 录目 录2用多线程同步方法解决生产者消费者问题41. 设计题目与要求41.1设计题目41.2设计要求42.设计思想及系统平台42.1设计思想42.2系统平台及使用语言53.数据结构与模块说明54.源程序清单75.运行结果与运行情况136.调试过程137.总结14本科生课程设计成绩评定表15课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 计算机科学与技术学院 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：Linux2 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

2、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

3、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)自我评析和总结上机时间安排：18周一 五 08：0 12：00 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日用多线程同步方法解决生产者消费者问题1. 设计题目与要求1.1设计题目 解决生产者消费者（Bounded - Buffer Problem）问题1.2设计要求1) 每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即

4、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。2.设计思想及系统平台2.1设计思想生产者进程与消费者进程是经典的同步互斥关系。系统创建两类进程：proceducer ()和consumer()，分别用来描述生产者和消费者的行为。生产者与消费者问题是指若干进程通过循环缓冲池区交换数据。生产者进程不断向循环缓冲池区中写入数据（即生产数据），而消费者进程不断从循环缓冲池区中读出数据（即消费数据）。循环缓冲池共有N个缓冲区，缓冲区可以暂存一个产品，任何时刻只能有一个进程可以对循环缓

5、冲池进行操作。只要缓冲区未满，生产者就可以把产品送入缓冲区；只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中取走物品。为了解决生产者和消费者问题，应该设置信号量和变量如下： full： 满缓冲区资源信号量 ，初值为0；empty：空缓冲区资源信号量 ，初值为n；in： 生产者指针，初值均为0；out： 消费者指针，均为0；mutex：缓冲区操作的互斥信号量，初值为1利用互斥信号量mutex实现诸进程对缓冲池的互斥使用，利用信号量empty和full分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲区的数量。2.2系统平台及使用语言1）操作系统：Linux2）程序设计语言：C语言3）编译器：GCC3.数据结构与模块说明3.

6、1程序自定义函数1、void produce(struct sem_info * );这个函数是生产者进行的生产过程，为所有的生产者所共享。结构体指针用来接收生产者线程创建时传来的生产者的个人信息。2、void consumer(struct sem_info * );这个函数是消费者进行的生产过程，为所有的消费者所共享。结构体指针用来接收消费者线程创建时传来的消费者的个人信息。3、void setproduce(void); 这个函数是用来设置生产者的个数和他们的名字。4、void setconsumer(void);这个函数是用来设置消费者的个数和他们的名字。5、void activept

7、hread(int);这个函数是用来创建生产者线程，int型参数为生产者的个数。6、void activecthread(int);这个函数是用来创建生产者线程，int型参数为生产者的个数。7、int gettime(void);这个函数返回来一个整数，作为线程的sleep()函数的参数。8、void myscanf(void);这个函数用来获取设置生产者和消费者的个数时的整数，确保这个数字在0到MAX_BUFFER之间。3.2系统函数调用 线程Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库l

8、ibpthread.a。Linux下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。clone（）是Linux所特有的系统调用，它的使用方式类似fork。函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：extern int pthread_create _P (pthread_t *_thread, _const pthread_attr_t *_attr,void *(*_start_routine) (void *), void *_arg);第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参

9、数。第二个参数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。当创建线程成功时，函数返回0，若不为0则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为EAGAIN和EINVAL。前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为：extern int pthread_join _P (pthread_t _th, void *_thread_return);第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指

10、针，它可以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。一个线程的结束有两种途径，一种是函数结束了，调用它的线程也就结束了；另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。它的函数原型为：extern void pthread_exit _P (void *_retval) _attribute_ (_noreturn_);唯一的参数是函数的返回代码，只要pthread_join中的第二个参数thread_return不是NULL，这个值将被传递给 thread_return。最后要说明的是，一

11、个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用pthread_join的线程则返回错误代码ESRCH。信号量信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。它们都在头文件 /usr/include/semaphore.h中定义。信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个

12、长整型的数。函数sem_init（）用来初始化一个信号量。它的原型为：extern int sem_init _P (sem_t *_sem, int _pshared, unsigned int _value);sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直

13、到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。3.3流程图设置生产者消费者信息创建生产者生产者生产缓存区空？缓存区可进？创建生产者生产者生产缓存区空？缓存区可进？程序结束失败否否否失败否4.源程序清单 #include #include #include #include #include #include #include #define MAX_BUFFER 2

14、0int in=0,out=0;int pnum,cnum;int sheng=1;int xiao=1;int i;char bufferMAX_BUFFER;struct sem_info pthread_t semid; char * name; *psemMAX_BUFFER,*csemMAX_BUFFER;sem_t mutex,full,empty;/生产者开始void produce(struct sem_info * rpsem) printf(第%d个生产者创建完成!.n,sheng+);while(1) int s1; sleep(gettime(); sem_wait(&

15、empty); sem_wait(&mutex); if(in19) in=0; srand(unsigned)time(NULL)+in); bufferin=rand()%100+10; printf(I am the produce ,the pid:%d ,my name is:%s ,my products is:%dn,&rpsem-semid,&rpsem-name,bufferin); printf(the in point is:%dn,in); printf(the contents of the buffer is:n); for(s1=0;s119) out=0; pr

16、intf(I am the consumer ,the PID:%d ,my name is:%s ,I will consume the products:%dn,&rcsem-semid,&rcsem-name,bufferout); bufferout=0; printf(the out point is:%dn,out); printf(After consume the buffercontents is:n); for(s2=0;s2MAX_BUFFER;s2+) printf(%d|,buffers2); out+; printf(n-消费结束-nn); sem_post(&mu

17、tex); sem_post(&empty); void setproduce() printf(请输入生产者的个数:); pnum=myscanf(); for(i=0;isemid=0; printf(请输入第%d个生产者的名字:,i+1); scanf(%s,&psemi-name); getchar(); void setconsumer() printf(请输入消费者的个数:); cnum=myscanf(); for(i=0;isemid=0; printf(请输入第%d个消费者的名字:,i+1); scanf(%s,&csemi-name); getchar(); int act

18、ivepthread(int number) int k1=0; int ret1; for(k1=0;k1semid,0,sizeof(psemk1-semid); ret1=pthread_create(&psemk1-semid,NULL,(void *)produce,psemk1); if(ret1!=0) printf(创建第%d个生产者线程失败!,k1+1); return -1; return 0;int activecthread(int number) int k2=0; int ret2; for(k2=0;k2semid,0,sizeof(csemk2-semid);

19、ret2=pthread_create(&csemk2-semid,NULL,(void *)consumer,csemk2); if(ret2!=0) printf(创建第%d个消费者线程失败!,k2+1); return -1; return 0;int gettime() int j; srand(unsigned)time(NULL); j=rand()%4+1; return j; int myscanf() int num=-99999; while(1) scanf(%d,&num); getchar(); if(num=20) printf(请输入1到20的一个整数: ); e

20、lse break; return num;int main() int key1,key2; sem_init(&mutex,0,1); sem_init(&full,0,0); sem_init(&empty,0,MAX_BUFFER); setproduce(); setconsumer(); key1=activecthread(cnum); key2=activepthread(pnum); if(key1=0&key2=0) pthread_join(psem0-semid,NULL);/等待第一个生产者线程的结束，也就是让主线程处于无限等待中，不会过早的退出 5. 编译及运行结果

21、编译命令：gcc -o pvpv.c -pthread执行命令：./pv运行结果：rootlocalhost root# gcc pv.c -o pv -pthreadrootlocalhost root# ./pv请输入生产者的个数:3请输入第1个生产者的名字:a请输入第2个生产者的名字:b请输入第3个生产者的名字:c请输入消费者的个数:2请输入第1个消费者的名字:s1请输入第2个消费者的名字:s2第1个消费者创建完成!.第2个消费者创建完成!.第1个生产者创建完成!.第2个生产者创建完成!.第3个生产者创建完成!.I am the produce ,the pid:134517488 ,m

22、y name is:a ,my products is:70the in point is:0the contents of the buffer is:70|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:88the in point is:1the contents of the buffer is:70|88|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the pr

23、oduce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:93the in point is:2the contents of the buffer is:70|88|93|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the consumer ,the PID:134517536 ,my name is:s1 ,I will consume the products:70the out point is:0After consume the buffercontents is:0|88|93|0

24、|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the consumer ,the PID:134517552 ,my name is:s2 ,I will consume the products:88the out point is:1After consume the buffercontents is:0|0|93|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:46the in

25、point is:3the contents of the buffer is:0|0|93|46|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:70the in point is:4the contents of the buffer is:0|0|93|46|70|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517520 ,my name i

26、s:c ,my products is:50the in point is:5the contents of the buffer is:0|0|93|46|70|50|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the consumer ,the PID:134517536 ,my name is:s1 ,I will consume the products:93the out point is:2After consume the buffercontents is:0|0|0|46|70|50|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|

27、-消费结束- I am the consumer ,the PID:134517552 ,my name is:s2 ,I will consume the products:46the out point is:3After consume the buffercontents is:0|0|0|0|70|50|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:46the in point is:6the contents of the bu

28、ffer is:0|0|0|0|70|50|46|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:37the in point is:7the contents of the buffer is:0|0|0|0|70|50|46|37|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:81the in p

29、oint is:8the contents of the buffer is:0|0|0|0|70|50|46|37|81|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the consumer ,the PID:134517536 ,my name is:s1 ,I will consume the products:70the out point is:4After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|50|46|37|81|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the consumer ,th

30、e PID:134517552 ,my name is:s2 ,I will consume the products:50the out point is:5After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:69the in point is:9the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|46|37|8

31、1|69|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:89the in point is:10the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|69|89|0|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:67the in point is:11the contents o

32、f the buffer is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|69|89|67|0|0|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the consumer ,the PID:134517536 ,my name is:s1 ,I will consume the products:46the out point is:6After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|0|37|81|69|89|67|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the consumer ,the PID:134517552 ,my n

33、ame is:s2 ,I will consume the products:37the out point is:7After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|0|0|81|69|89|67|0|0|0|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:37the in point is:12the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0|0|81|69|89|67|37|0|0|0|0

34、|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:21the in point is:13the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0|0|81|69|89|67|37|21|0|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:102the in point is:14the contents of the buffer is:

35、0|0|0|0|0|0|0|0|81|69|89|67|37|21|102|0|0|0|0|0|-生产结束- I am the consumer ,the PID:134517536 ,my name is:s1 ,I will consume the products:81the out point is:8After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|0|0|0|69|89|67|37|21|102|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the consumer ,the PID:134517552 ,my name is:s2 ,I

36、 will consume the products:69the out point is:9After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|89|67|37|21|102|0|0|0|0|0|-消费结束- I am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:50the in point is:15the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|89|67|37|21|102|50|0|0|0|0|-

37、生产结束- I am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:16the in point is:16the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|89|67|37|21|102|50|16|0|0|0|-生产结束- I am the produce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:40the in point is:17the contents of the buffer is:0|0|0|0

38、|0|0|0|0|0|0|89|67|37|21|102|50|16|40|0|0|-生产结束- I am the consumer ,the PID:134517536 ,my name is:s1 ,I will consume the products:89the out point is:10After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|67|37|21|102|50|16|40|0|0|-消费结束- I am the consumer ,the PID:134517552 ,my name is:s2 ,I wil

39、l consume the products:67the out point is:11After consume the buffercontents is:0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|37|21|102|50|16|40|0|0|-消费结束- 6调试过程6.1调试工具简介VI(visual editor)进入vi,直接执行 vi文件名，即可：此刻屏幕上会出现 vi 的编辑窗口，同时 vi 会将文件复制一份至记忆体中的缓冲区 (buffer)。vi会保留在磁盘中的文件不变，而先对缓冲区的档案作编辑，编辑完成后，我们可以决定是否要取代原来旧有的文件。编译命令：gcc -o

40、目标文件名源文件名执行命令：./ 目标文件名6.2、调试问题分析因为生产者-消费者方案很常用，所以在构建应用程序时它可能会出现几次，这导致了代码重复。在设计过程期间多次使用了生产者-消费者方案的问题。我的解决方案就是创建 Consumer 类，其目的是：在应用程序中，消除这种代码重复 为每个生产者-消费者实例编写一个新作业队列和消费者进程来解决这个问题。按照要求，生产者生产item，并放置在缓冲区里，消费者从缓冲区中得到item，并进行处理。如果缓冲区满，则生产者不能再生产，直到缓冲区有空位，如果缓冲区空时，消费者也不能从缓冲区中得到item，直到缓冲区不空。进程：Buffer，Produce

41、r，Consumer Producer（生产者进程）： Item_Type item; while (true) produce(&item); Buffer.Set(item); Consumer（消费者进程）： Item_Type item; while (true) Buffer.Get(item); Consume(item); 7.总结本次课程设计完成了多进程同步方法解决生产者消费者问题全部过程，结果满足设计要求，验证无误。设计过程中也遇到不少困难，尤其是关于多进程程序的设计实现。特别需要注意的是由于进程的数据共享会带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个进程所修改，有的子程序中声明

42、为static的数据更有可能给多进程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多进程程序时最需要注意的地方。通过本次设计，我较好地掌握了通过研究Linux 的进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，尤其是对多进程程序设计方法有了更深的理解，开拓了思路，锻炼了实践动手能手，达到了课程设计目的。此外,我也更近一步地了解了OS的进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，尤其是对多进程程序设计方法有了更深的理解。在书本上学习有关进程的同步的问题只是理论上的说法，并没有一个实际的东西，至少应是看得见的，对其含义也只是处于表面上的理解。这次实验我才体会到进程同步的真正涵义,以后我会更进一

43、步地学习,争取更深入地理解这个问题.本科生课程设计成绩评定表班级： 姓名： 学号：序号评分项目满分实得分1学习态度认真、遵守纪律102设计分析合理性103设计方案正确性、可行性、创造性204设计结果正确性405设计报告的规范性106设计验收10总得分/等级评语：注：最终成绩以五级分制记。优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、60分以下为不及格指导教师签名：2010 年月日ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJ

44、eTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rr

45、b7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R8psz1BN6oRic5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1LmPk7lYdvC6NNMwL3fwhZFTFVYAARY7lHSSxJ10V3pH3Y19BxYR77Ib7CpZSu2tijqe3hKqkKAu9KSkCpHKXUIKvvyJZpg2YijRkqfbGgOvyqKuxNWI9oMnJtt6QilZxtyrF7d20FbmabcfiixrQKUsVNXBPPFUXyQ1fJSKFSUbkgs2DUVQC9sz4JkbgN4

46、Qqv66pyoARjurNFJ3TxyfclZiEePtwFJthphEipDFNqnR2HjQKV2DzWtMPDJQkBcXmovdsjqCTJagjMdLsKPgaD2s0H0vmZGAHt36gyUEZ7UmANk1ndREuBeqdgrx0venqGnsyIB2ilq3SIQrNL4m56t7Z8Y8da5K0KUpn5Nzg4JvjdtfFHyt82AoGQkXo4VBLmLEiy2P7HtHBho07rCfttxodYDPPdtQsO7wxD0J6fKKlGm4woDzplhtRr2XgqN13hqy59zU1GegDyQniHNTaVSieueFQcYfUCJwd3vk5I7

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