操作系统课程设计——基于Windows的线程同步与互斥（生产者与消费者问题）一、设计题目、目的、要求：①设计目的：掌握Windows系统环境下的线程的创建与撤销，熟悉Windows系统提供的线程同步和互斥API。
②设计内容：在windows操作系统下，编程实现两个或多个进程间的同步或互斥问题，编程模拟实现生产者消费者问题。
③设计要求：运行结果要显示具备同步或互斥关系的线程间交替执行的过程。
二、设计思想：假定在生产者和消费者之间的公用缓冲池中，具有n个缓冲区，这时可利用互斥信号量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区和满缓冲区的数量。
一组生产者向一组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲池，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。
这些生产者和消费者互相等效，只要缓冲池未满，生产者可将消息送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者可从缓冲池取走一个消息。
本实验编写程序可显示缓冲池状态、放数据、取数据等过程。
三、各模块的数据定义：1）信号量定义：const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; //缓冲区长度unsigned short ProductID = 0; //产品号unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号unsigned short in = 1; //产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned short out = 1; //产品出缓冲区时的缓冲区下标int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列bool g_continue = true; //控制程序结束HANDLE g_hMutex; //用于线程间的互斥HANDLE g_hFullSemaphore; //当缓冲区满时迫使生产者等待HANDLE g_hEmptySemaphore; //当缓冲区空时迫使消费者等待2）关键算法：1.创建各个互斥信号 g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);// 三个参数分别为：指向安全属性的指针、初始化互斥对象的所有者,指向互斥对象名的指针2.创建缓冲区满的信号量g_hFullSemaphore= CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1, SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);//四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称（-1是因为计数从0开始）3.创建缓冲区空的信号量g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);4.创建生产者线程for (int i=0;i<PRODUCERS_COUNT;++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);if (hThreads[i]==NULL) return -1;}5.创建消费者线程for( i=0;i<CONSUMERS_COUNT;++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]);if (hThreads[i]==NULL) return -1;}四、程序流程图与结构图：共享缓冲区满 空N 个缓冲区五、程序代码：#include <windows.h>#include <iostream>const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; //缓冲区长度unsigned short ProductID = 0; //产品号unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号unsigned short in = 1; //产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned short out = 1; //产品出缓冲区时的缓冲区下标int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列bool g_continue = true; //控制程序结束HANDLE g_hMutex; //用于线程间的互斥HANDLE g_hFullSemaphore; //当缓冲区满时迫使生产者等待HANDLE g_hEmptySemaphore; //当缓冲区空时迫使消费者等待DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生产者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消费者线程int main(){//创建各个互斥信号g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); // 三个参数分别为：指向安全属性的指针、初始化互斥对象的所有者,指向互斥对象名的指针//创建缓冲区满的信号量g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);//四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称（-1是因为计数从开始）//创建缓冲区空的信号量g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; //生产者的个数const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 2; //消费者的个数//总的线程数const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;HANDLE hThreads[THREADS_COUNT]; //各线程的handleDWORD producerID[PRODUCERS_COUNT]; //生产者线程的标识符DWORD consumerID[CONSUMERS_COUNT]; //消费者线程的标识符//创建生产者线程for (int i=0;i<PRODUCERS_COUNT;++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);if (hThreads[i]==NULL) return -1;}//创建消费者线程for ( i=0;i<CONSUMERS_COUNT;++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]);if (hThreads[i]==NULL) return -1;}while(g_continue){if(getchar()){ //按回车后终止程序运行g_continue = false;}}return 0;}//生产一个产品，仅输出新产品的ID号void Produce(){ std::cerr <<"--------------------------------\n";std::cerr << "生产一个产品编号为: " << ++ProductID<< " ";}//把新生产的产品放入缓冲区void Append(){std::cerr << "\n把新生产的产品放入缓冲区... "<<'\n';g_buffer[in] = ProductID;in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cout <<"\n显示缓冲区当前的状态:\n\n";std::cout <<"\n缓冲区编号产品编号\n";//输出缓冲区当前的状态for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){std::cout<<"缓冲区" << i <<": " << g_buffer[i];if (i==in) std::cout << " <-- 生产";//In 指示下一个可投放产品的缓冲区，每当生产者进程生产并投放一个产品后，输入指针加1if (i==out) std::cout << " <-- 消费";//Out指示下一个可从中获取产品的缓冲区，每当消费者进程取走一个产品后，输出指针加1std::cout << std::endl;}}//从缓冲区中取出一个产品void Take(){ std::cerr<<"---------------------------------\n";std::cerr << "从缓冲区中取出一个产品产品编号为:"<<out+1<<'\n';ConsumeID =g_buffer[out];g_buffer[out]=0;out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER;//输出缓冲区当前的状态std::cout<<"\n显示缓冲区当前的状态:\n\n";std::cout<<"\n缓冲区编号产品编号\n";for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){std::cout <<"缓冲区"<< i <<": " << g_buffer[i]; if (i==in) std::cout << " <-- 生产";if (i==out) std::cout << " <-- 消费";std::cout << std::endl;}}//消费一个产品void Consume(){std::cerr << "消费" << ConsumeID << " ... ";}//生产者DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara){while(g_continue){WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Produce();Append();Sleep(1500);ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);}return 0;}//消费者DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara){while(g_continue){WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE);WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Take();Consume();Sleep(1500);ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);}return 0;}六、运行结果及分析：三个生产者一个消费者：三个生产者三个消费者：三个消费者一个生产者（消费者等待）：结果分析：在每个程序中坐须先做P(mutex)，后做V(mutex)，二者要成对出现。
