课程设计报告 课程名称： 操作系统课程设计

设计题目： 生产者消费者问题 系 别： 计算机系

专 业： 计算机科学与技术 组 别： 第二组 学生姓名： 学 号 起止日期：20xx年 7月18日~ 20xx年7月23日 指导教师：

目 录

1.概述............................................................................................................................. 2

1.1 问题描述.......................................................................................................... 2

1.2 开发计划.......................................................................................................... 2

1.3 开发环境及开发工具...................................................................................... 2

2.需求分析..................................................................................................................... 2

2.1 设计任务.......................................................................................................... 2

2.2 设计思想.......................................................................................................... 2

2.3 设计要求.......................................................................................................... 3

3.概要设计..................................................................................................................... 3

3.1 方法及原理...................................................................................................... 3

3.2 流程图.............................................................................................................. 4

4.详细设计..................................................................................................................... 4

4.1 数据结构及信号量说明.................................................................................. 4

4.2 部分代码.......................................................................................................... 5

5.测试结果..................................................................................................................... 8

6.结果分析..................................................................................................................... 9

7.总结和体会................................................................................................................. 9

致谢................................................................................................................................ 9

参考文献...................................................................................................................... 10

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1.概述

1.1 问题描述

以生产者/消费者模型为依据，在Windows XP环境下创建一个控制台进程， 在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。

1.2 开发计划

第一天：完成整体的规划工作，用什么方法，能完成什么工作，如何设计 构造方法；

第二天：完成操作界面的设计与编码，设计一个美观，易于操作的界面； 第三天：完成并发设计内核的结构与实现工作；

第四天：基本完成程序设计工作；

第五天：完成代码的优化工作，添加一些功能；

第六天：完成实验报告；

第七天：交给老师审核。

1.3 开发环境及开发工具

硬件：普通PC386以上微机；一张软盘或U盘。

软件：操作系统：Windows 2000/XP。

开发工具：VC++6.0。 VC是一个集成开发环境，其中包含了Windows SDK 所有工具和定义。

2.需求分析

2.1 设计任务

(1)掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。

(2)学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API使用方法。

(3)了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程同步与互斥。

2.2 设计思想

生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。

计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。

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而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。

在同一时刻只能有一个生产者或一个消费者使用缓冲区，有互斥信号量可以控制各个生产者和消费者之间互斥，使得生产和消费的工作能够有序的进行，而不至于发生死锁。

通过一个有界缓冲区(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。应该禁止生产者向满的缓冲区送入产品，同时也应该禁止消费者从空的缓冲区中取出产品，这一机制有生产者线程和消费者线程之间的互斥关系来实现。

2.3 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。

3.概要设计

3.1 方法及原理 1．阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制有深入理解。

著名的生产者—消费者问题是典型的进程同步问题，操作系统中实现进程同步的常用机制有信号量和PV操作等。除赋初值外，信号量仅由同步原语P和V对其进行操作，PV操作的不分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。 信号量按用途分两种：

（1）公用信号量，用于实现进程互斥；

（2）私有信号量，多用于并发进程同步。

按取值又分两种：

（1）两元信号量，主要用于解决进程互斥问题；

（2）一般信号量，主要解决进程同步问题。

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2．掌握Visual C++ 6.0语言的使用。

C++语言是从C语言发展演变的一种面向对象的程序设计语言，主要特点变现在两方面：一是全面兼容C；二是支持面向对象的方法。

面向对象的方法将数据及对数据的操作方法封装在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体——对象。对同类型对象抽象出共性，形成类。类中的大多数数据，只能用本类的方法进行处理。类通过一个简单的外部接口，与外界发生关系，对象与对象间通过消息进行通信。同时，通过继承与多态性，使程序具有很高的可重用性，使得软件的开发和维护都更为方便。

3.2 流程图

图3-1 流程图

4.详细设计

4.1 数据结构及信号量说明

（1）程序中的主要的结构

void Produce(void *p);

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void Consume(void *p);

bool IfInOtherRequest(int);

int FindProducePositon();

int FindBufferPosition(int);

int main(void)

（2）信号量定义如下：

#define MAX_BUFFER_NUM 10 //本程序允许的最大临界区数； #define INTE_PER_SEC 1000 //秒到微秒的乘法因子；

#define MAX_THREAD_NUM 64 //本程序允许的生产和消费线程的总数； int Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM]; //缓冲区声明，用于存放产品； HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM]; //用于存储每个线程句柄的数组； ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM]; //线程信息数组；

HANDLE empty_semaphore;

HANDLE h_mutex;

DWORD

DWORD //一个信号量； //一个互斥量； //实际的线程的数目； n_Thread = 0; n_Buffer_or_Critical; //实际的缓冲区或者临界区的数目； HANDLE h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]; //生产者允许消费者开始消费的信号量；

4.2 部分代码

（1）创建生产者和消费者线程

for(i =0;i< (int) n_Thread;i++){ if(Thread_Info[i].entity =='P') h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produceelse } &(Thread_Info[i]),0,NULL); ), &(Thread_Info[i]),0,NULL); h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),

（2）生产者进程

void Produce(void *p)

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{

//局部变量声明； DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay; int m_serial; //获得本线程的信息； m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC); Sleep(m_delay); //开始请求生产 printf("生产者%d发出生产请求...\n",m_serial); //确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；

wait_for_semaphore = WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1); //互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥； wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1); int ProducePos = FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex); //生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下的写操作在生产者之间可 以并发；

//核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别; printf("生产者%d开始生产，并且把其产品放在位置%2d.\n",m_serial, ProducePos);

}

（3）消费者进程

void Consume(void * p)

{

Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial; printf("生产者%2d生产完毕.\n ",m_serial); printf("位置[%2d]:%3d \n" ,ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]); //使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步； ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL); //局部变量声明； 6

DWORD wait_for_semaphore,m_delay; //消费者的序列号和请求的数目； int m_serial,m_requestNum; int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列； //提取本线程的信息到本地； m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC); m_requestNum = ((ThreadInfo *)(p))->n_request; for (int i = 0;i<m_requestNum;i++) m_thread_request[i] = ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];

Sleep(m_delay);

//循环进行所需产品的消费

for(i =0;i<m_requestNum;i++){

//请求消费下一个产品

printf("消费者%2d要求消费%2d产品.\n",m_serial,m_thread_request[i]);

//如果对应生产者没有生产，则等待；如果生产了,允许的消费者数目-1；实现了读写同步；

wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1); //查询所需产品放到缓冲区的号

int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);

//开始进行具体缓冲区的消费处理，读和读在该缓冲区上仍然是互斥的；

//进入临界区后执行消费动作；并在完成此次请求后，通知另外的消费者本处请//求已经满足；同时如果对应的产品使用完毕，就做相应处理；并给出相应动作//的界面提示；该相应处理指将相应缓冲区清空，并增加代表空缓冲区的信号量； EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

printf("消费者%2d开始消费%2d产品...\n",m_serial,m_thread_request[i]); ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i] =-1;

if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){

Buffer_Critical[BufferPos] = -1;//标记缓冲区为空；

printf("消费者%2d消费完毕%2d.\n ",m_serial,m_thread_request[i]); printf("位置[%2d]:%3d \n" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]); ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);

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} else{

printf("消费者%2d消费完毕%2d.\n ",m_serial,m_thread_request[i]); }

//离开临界区

} LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]); }

5.测试结果

8 图5-1 测试结果图

其中测试数据是：

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1 P 1

2 P 2

3 P 3

4 C 4 3 2

5 C 5 1

6.结果分析

1、在每个程序中坐须先做P(mutex)，后做V(mutex)，二者要成对出现。夹在二者中间的代码段就是该进程的临界区。

2、对同步信号量full和empty的P，V操作同样必须成对出现，但它们分别位于不同的程序中。

3、无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒:应先执行同 步信号量的P操作，然后执行互斥信号量的P操作。否则可能造成进程死锁。

7.总结和体会.

此系统中使用的是用VC++6.0实现的，由于我的经验不足及阅历颇浅，因此，在设计方面还有很多不足，比如代码不够优化等问题，我会在以后的学习、工作的过程中，根据工作的具体要求不断的修改，完善，争取使该系统慢慢趋向完美。学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在学习完后进行课程设计是很及时、很必要的，这样不仅能加深我们对所学知识的了解，而且还及时、真正的做到了学以致用。在这次课程设计过程中，遇到了很多问题。尤其是设计方面有些困难，但是通过上网，查书，向别人请教解决了，这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。

致谢

在本设计是我第一次尝试这方面的软件编程。在刚开发完毕准备开始写论文时我对论文的写法是一片空白，所以只能问同学和上网查资料，所以首先感谢在程序上帮助我的同学，再次感谢网上贴出同类资料的友士，最后谢谢王老师对我 9

们的指导。

参考文献

[1]汤子瀛等.计算机操作系统[M].西安: 西安电子科技大学出版社

[2]郑莉等.C++语言设计[M].北京：清华大学出版社

[3]严蔚敏，吴伟民.数据结构[M].北京：清华大学出版社

[4]孙钟秀等.操作系统教程[M].北京：高等教育出版社

[5]陈向群.操作系统教程[M].北京：北京大学出版社

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