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操作系统课程设计“生产者-消费者”问题

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《操作系统》课程设计题目：“生产者-消费者”问题学院：信息工程学院专业：计算机科学与技术班级：计科1302*名：***指导老师：***2016年1月 15日目录一、课程设计目标 (2)二、课题内容 (2)1．实验目的 (2)2、实验环境 (2)3、实验要求 (2)三、设计思路 (3)1.信号量的设置 (3)2.系统结构 (4)3.程序流程图 (5)4.P V操作代码 (6)四、源代码 (7)五、运行与测试 (10)六、心得体会 (12)一、课程设计目标学习System V的进程间通信机制，使用信号量和共享内存实现经典进程同步问题“生产者-消费者”问题。

具体要求：1.创建信号量集，实现同步互斥信号量。

2.创建共享内存，模拟存放产品的公共缓冲池。

3.创建并发进程，实现进程对共享缓冲池的并发操作。

二、课题内容1．实验目的（1）掌握基本的同步互斥算法，理解生产者和消费者同步的问题模型。

（2）了解linux中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。

2、实验环境：C/C++语言编译器3、实验要求（1）创建生产者和消费者线程在linux环境下，创建一个控制台进程，在此进程中创建n个线程来模拟生产者或者消费者。

这些线程的信息由本程序定义的“测试用例文件”中予以指定。

（2）生产和消费的规则在按照上述要求创建线程进行相应的读写操作时，还需要符合以下要求：①共享缓冲区存在空闲空间时，生产者即可使用共享缓冲区。

②从上边的测试数据文件例子可以看出，某一生产者生产一个产品后，可能不止一个消费者，或者一个消费者多次地请求消费该产品。

此时，只有当所有的消费需求都被满足以后，该产品所在的共享缓冲区才可以被释放，并作为空闲空间允许新的生产者使用。

③每个消费者线程的各个消费需求之间存在先后顺序。

例上述测试用例文件包含一行信息“5 C 3 l 2 4”，可知这代表一个消费者线程，该线程请求消费1，2，4号生产者线程生产的产品。

而这种消费是有严格顺序的，消费1号线程产品的请求得到满足后才能继续往下请求2号生产者线程的产品。

④要求在每个线程发出读写操作申请、开始读写操作和结束读写操作时分别显示提示信息。

（3）相关基础知识本实验所使用的生产者和消费者模型具有如下特点：本实验的多个缓冲区不是环形循环的，也不要求按顺序访问。

生产者可以把产品放到目前某一个空缓冲区中。

消费者只消费指定生产者的产品。

在测试用例文件中指定了所有的生产和消费的需求，只有当共享缓冲区的数据满足了所有关于它的消费需求后，此共享缓冲区才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。

本实验在为生产者分配缓冲区时各生产者间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。

而消费者之间只有在对同一产品进行消费时才需要互斥，同时它们在消费过程结束时需要判断该消费对象是否已经消费完毕并清除该产品。

linux用来实现同步和互斥的实体。

在linux中，常见的同步对象有：信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界段(CriticalSection)等。

使用这些对象都分为三个步骤，一是创建或者初始化：接着请求该同步对象，随即进入临界区，这一步对应于互斥量的上锁；最后释放该同步对象，这对应于互斥量的解锁。

这些同步对象在一个线程中创建，在其他线程中都可以使用，从而实现同步互斥。

三、设计思路1.信号量的设置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。

如下图所示，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课对循环缓冲池进行操作。

所有生产者和消费者要协调工作，以完成数据的交换。

只要有空缓冲区，生产者就可以把产品送入缓冲区；只要有满缓冲区，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12.系统结构PCB* readyhead=NULL, * readytail=NULL; // 就绪队列——链表结构PCB* consumerhead=NULL, * consumertail=NULL; // 消费者队列PCB* producerhead=NULL, * producertail=NULL; // 生产者队列processproc()--- 给PCB分配内存，产生相应的的进程Pempty()--- 如果缓冲区满，该进程进入生产者等待队列；linkqueue(exe,&producertail); // 把就绪队列里的进程放入生产者队列的尾部执行顺序：Main()---empty---in---full---out---finish当缓冲池为空时，生产者生产产品in缓冲池 in=in+1当缓冲池为满时，消费者消费产品out缓冲池 out=out+13. 程序流程图图一生产者流程结构图二消费者流程结构4.PV操作代码semaphore empty=n;semaphore full=0;semaphore mutex=1;message buffer[n];int in=0;int out=0;void main()parbegin(proceducer(),consumer());}void proceducer(){ do{ prodece a new meddage;P(empty);P(mutex);send a new message to buffer[in];in=(in+1)%n;V(mutex);V(full);} while(true);}void consumer(){ do{ P(full);P(mutex);get a message from buffer[out];out=(out+1)%n;V(mutex);V(empty);comsume a message;}while(true);}四、源代码#include "windows.h"#include "iostream.h"#include "math.h"#define random (rand()*10000)/RAND_MAX //定义一个随机函数来生产产品，并且使两个顾产品间的时间少于10秒int long waiting(0); //正在等待的产品的数目int buffer; //空位的总数目char empty; //缓冲区空char full; //缓冲区满int count(0); //产品的号码数int finish(0); //生产完毕的产品数目DWORD a;void proceduce()Sleep (10000);cout<<"缓冲区已空!"<<endl; //生产者生产产品函数，用时10秒}void getconsum(){Sleep (10001); //产品被生产的函数，为了合理区分生产产品cout<<"第"<<finish<<"个产品被消费,取出"<<endl;}HANDLE Mutex=CreateMutex(NULL, FALSE, "Mutex"); //用来实现进程的互斥HANDLE proceducer=CreateSemaphore(NULL, 1,1, "proceducer");//定义信号量来进行线程间的同步HANDLE consumer=CreateSemaphore(NULL,0,3,"consum");DWORD WINAPI consum(LPVOID pParm2) //消费的线程{WaitForSingleObject(Mutex ,INFINITE); //p(mutex)来进行互斥操作count++; //生产的是第几个产品cout<<"第"<<count<<" 个产品生产了"<<endl;if (waiting<buffer) //如果缓冲池还有空位{if (waiting!=0){cout<<"此时有"<<waiting+1 <<" 个产品等待消费"<<endl;}elsecout<<"没有产品在等待"<<endl; //输出有多少人在等待waiting++;cout<<"还有"<<buffer-waiting<<"个空位"<<endl;cout<<"有空区，产品已经进入"<<endl;ReleaseSemaphore(consum,1,NULL);//v(consumer)ResumeThread(consum);//唤醒生产者进程ReleaseMutex(Mutex);//释放互斥量，以便其他线程使用WaitForSingleObject(proceducer,INFINITE);//等待生产getconsum(); //消费并取走}else{cout<<"缓冲区已满，第"<<count<<"个产品暂停生产"<<endl; //没有空位，生产者不再生产ReleaseMutex(Mutex);}return 0;}DWORD WINAPI proceducers(LPVOID pParm1) //生产者的线程{while(true) //一直执行{WaitForSingleObject(consum,INFINITE);//p(customers)，等待产品WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //等待互斥量waiting--; //等待的产品数减一ReleaseSemaphore(proceducer,1,NULL); //释放信号量ResumeThread(proceducer); //唤醒消费进程ReleaseMutex(Mutex); //v(mutex);proceduce(); //生产finish++; //消费的产品数加1}return 0;}int main(int argc, char* argv[]){cout<<"请输入缓冲区空位的总数目:";cin>>buffer;cout<<"缓冲区共有"<<buffer<<"个空位"<<endl; //设置缓冲区空位数目cout<<"缓冲区空生产产品吗?Y/N"<<endl; //缓冲区是否空cin>>empty;while (empty!='y'){cout<<endl<<"********对不起，缓冲区满！********"<<endl;cout<<"缓冲区已空，生产产品?Y/N"<<endl;cin>>empty;}HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;hThread2=::CreateThread (NULL,0,proceducers,NULL,0,NULL); //产生一个生产者进程while(full!='y'){Sleep(random); //产品随机进入hThread1=::CreateThread(NULL,0,consum,NULL,a,NULL);cout<<endl<<"********缓冲区已空，请继续生产********"<<endl;if (finish>=10&&waiting==0) //如果完成数超过10并且没有人等待{cout<<"已经为"<<finish<<"个产品了，要停止生产吗?"<<endl; //提示是否关门cin>>full;return full;}else ;}if (full=='y'){cout<<"********对不起，缓冲区已满********"<<endl;return 0;}}五、运行与测试缓冲区空位总数目为1时运行结果截图：缓冲区空位总数目为0和3时运行结果截图（其余部分如上当缓冲区空位总数目为1时的截图）六、心得体会本次课程设计通过模拟计算机操作系统中经典的“生产者—消费者问题”，巩固了我在操作系统原理课上所学的知识，加深了对操作系统中进程同步和互斥等问题，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。

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操作系统实验三 生产者——消费者问题

操作系统实验三 生产者——消费者问题

操作系统实验三：生产者——消费者问题一、基本信息xxx 711103xx 2012年4月29日二、实验目的通过实验，掌握Windows和Linux环境下互斥锁和信号量的实现方法，加深对临界区问题和进程同步机制的理解，同时巩固利用Windows API和Pthread API进行多线程编程的方法。

三、实验内容1. 在Windows操作系统上，利用Win32 API提供的信号量机制，编写应用程序实现生产者——消费者问题。

2. 在Linux操作系统上，利用Pthread API提供的信号量机制，编写应用程序实现生产者——消费者问题。

3. 两种环境下，生产者和消费者均作为独立线程，并通过empty、full、mutex 三个信号量实现对缓冲进行插入与删除。

4. 通过打印缓冲区中的内容至屏幕，来验证应用程序的正确性。

四、实验步骤1. 创建3个信号量：Mutex、Full、Empty2. 主程序创建10个生产者线程和10个消费者线程，之后休眠一段时间3. 生产者线程中，休息一段2s后，生产一个0~10的随机数放入缓冲区里。

利用信号量Mutex产生对缓冲区使用的互斥功能，利用Empty和Full信号量来对缓冲区进行增加项4. 消费者线程中，休息4s时间后，消费一个缓冲区的数据。

利用信号量Mutex产生对缓冲区使用的互斥功能，利用Empty和Full信号量来对缓冲区进行增加项5. 主程序执行一段时间后，结束整个程序五、主要数据结构及其说明产品数量最大值const int MAX_SIZE = 10;缓冲区：int buffer[BUFFER_SIZE];int front; int rear; bool full;三个互斥信号量：HANDLE Mutex; HANDLE Full; HANDLE Empty;有关操作：用WaitForSingleSignal函数可以获得一个Mutex的所有权，类似于P 操作，而ReleaseMutex函数可以释放一个Mutex的所有权，类似于V 操作。

生产者和消费者课程设计

生产者和消费者课程设计

2、数据结构及信号量定义的说明；
3、实验的步骤；
4、实验源程序关键算法；
5、实验运行图；
6、实验结果分析；
六、结论（应当准确、完整、明确精练；也可以在结论或讨论中提出建议、设想、尚待解决问题等。）
七、参考文献
八、指导教师评语
签名：
年月日
课程设计成绩
附：1、课程设计的填写请按格式要求做；
2、文字内容宋体、五号、1.5倍行距；
2、培养学生能够独立进行知识综合，独立开发较大程序的能力。
3、培养提高学生软件开发能力和软件的调试技术。
4、培养学生开发大型程序的方法和相互合作的精神。
5、培养学生的创新意识。
6、培养学生的算法设计和算法分析能力。
7、培养学生对问题进行文字论述和文字表达的能力。
二、课程设计的内容及其要求
1、可利用临界区（CCriticalSection）、事件（CEvent）、信号量（CSemaphore）来实现进程的同步。
2、根据生产者和消费者问题的特性做好软件实现的需要分析。
3、可根据问题的实际需要，来改变对信号量的使用及数量和初值的赋值。
4、当系统运行时，能直观地、动态地反映当前线程运行的状态和信号量的变化。
5、要求系统能满足能多进程的并发与互斥。
6、要求在系统安全状态的前提下，兼顾各个进程的公平。
三、课程设计的时间安排
3、程序代码字体Times New Roman，五号、1.5倍行距；
《操作系统》课程设计
生产者和消费者问题实践
系院：信息工程学院
学生姓名：xxxxxxx
学号：xxxxxxxxxxxx
专业：xxxxxxxxxxxx
年级：xxxxxxx
完成日期：xxxx年xx月
操作系统课程设计——生产者消费者问题

操作系统课程设计——生产者消费者问题

计算机与信息学院《操作系统与编译原理联合课程设计报告》专题：操作系统部分学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2014 年 7 月一、设计目标多进程/线程编程：生产者-消费者问题。

设置两类进程/线程，一类为生产者，一类为消费者；建立缓冲区的数据结构；随机启动生产者或消费者；显示缓冲区状况；随着进程/线程每次操作缓冲区，更新显示。

二、设计思路1.开发平台：Visual C++6.02.设计思路：若干个生产者和若干个消费者共享一个有界缓冲区，生产者生产产品，消费者消费产品。

消费者进程与生产者进程随机切换。

生产者将产品生产出来后，存放到缓冲区中的空闲位置并将此缓冲区的标识置为满，若此时无空缓冲区，则进行等待。

消费者将标识为满的缓冲区中的产品取出，进行消费并将该缓冲区的标志位置为空，若此时无满的缓冲区，则进行等待。

由于消费者与生产者共享缓冲区资源，且缓冲区资源属于互斥资源，所以生产者和消费者需要按照一定的规则访问缓冲区，访问规则如下：（1）当一个消费者访问缓冲区时其他消费者不允许访问缓冲区，同样的，当一个生产者访问缓冲区时其他生产者也不能访问缓冲区。

（2）当消费者访问缓冲区资源时生产者不能访问，反之，当生产者访问缓冲区资源时消费者不能访问。

（3）当缓冲区中无产品时，消费者不能访问；当缓冲区已满时，生产者不能访问缓冲区。

生产者与消费者问题伪代码如下：VAR mutex, empty, full: semaphore := 1, n, 0 ;in,out: integer := 0, 0 ;Buffer: array [0..n-1] of item ;ParbeginProducer:beginrepeatproduce an item in nextp;wait(empty);wait(mutex);Buffer(in) := nextp;in := (in + 1) mod n;signal(mutex);signal(full);until falseendConsumer:beginrepeatwait(full);wait(mutex);nextc = Buffer(out);out := (out + 1) mod n;signal(mutex);signal(empty);consume the item nextc;until falseendParend程序框架如下图所示：本程序在具体实现方面与MFC结合，将生产者-消费者问题的具体过程动态展示了出来。

操作系统课程设计生产者消费者

操作系统课程设计生产者消费者

操作系统课程设计报告 摘要
生产者消费者问题 （Producer-consumer problem） ， 也称有限缓冲问题 （Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。 该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”— —在实际运行时会发生的问题。 生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中， 然后 重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者 不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。 要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（或者放弃数据），等到下次消费者 消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让 消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采 用进程间通信的方法解决该问题，常用的方法有信号灯法等。如果解决方法不够完善，则容 易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能 被推广到多个生产者和消费者的情形。
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pthread_mutex_lock(&lock); while (q->num == 0) { pthread_cond_wait(&empty, &lock); } sem_wait(&product_number); q->front = (q->front + 1) % NUM; char c = q->productc[q->front]; q->productc[q->front] = ' '; q->num--; printf("消费者 1 显示内容： %c\n", c); printf("产品数量：%d\n", q->num); sem_post(&blank_number); if (q->num == NUM - 1) { pthread_cond_signal(&full); } pthread_mutex_unlock(&lock); sleep(rand() % 2); } } void *consumer2(void *arg) { struct P_Queue *q; q = (struct P_Queue *) arg; while (1) { pthread_mutex_lock(&lock); while (q->num == 0) { pthread_cond_wait(&empty, &lock); } sem_wait(&product_number); q->front = (q->front + 1) % NUM; char c = q->productc[q->front]; char d = 0; if(c>=65 && c<=90) { d = c+32;} else { d = c-32;} q->productc[q->front] = ' '; q->num--; printf("消费者 2 更改大小写：%c---%c\n", c,d); printf("产品数量：%d\n", q->num); sem_post(&blank_number); if (q->num == NUM - 1) { pthread_cond_signal(&full); }