操作系统实验报告生产者与消费者问题模拟

操作系统课程设计一．实验目标完成N个生产者和M个消费者线程之间的并发控制，N、M不低于30，数据发送和接收缓冲区尺寸不小于20个（每个产品占据一个）。

其中生产者线程1、3、5、7、9生产的产品供所有奇数编号的消费者线程消费，只有所有奇数编号的消费者线程都消费后，该产品才能从缓冲区中撤销。

其中生产者线程2、4、6、8、10生产的产品所有偶数编号的消费者线程都可消费，任一偶数编号消费者线程消费该消息后，该产品都可从缓冲区中撤销。

其中11-20号生产者线程生产的产品仅供对应编号的消费者线程消费。

其他编号生产者线程生产的产品可由任意的消费者线程消费。

每个生产线程生产30个消息后结束运行。

如果一个消费者线程没有对应的生产者线程在运行后，也结束运行。

所有生产者都停止生产后，如果消费者线程已经没有可供消费的产品，则也退出运行。

二．实验原理2.1原理生产者与消费者线程采用posix互斥锁机制进行互斥进入各自的代码段，只有采用互斥锁临界区代码段才可以不被打扰的执行；同步机制采用的是posix条件变量pthread_cond_wait和pthraed_cond_signal进行同步的。

线程间的通信采用的是共享内存机制。

（注：所有的共享内存块是在进程里建立的，线程只需链接上各自的共享内存块即可，每一块共享内存的大小是100）. 在这里共享内存设置成一个100的数组。

具体实施：（1）为1.3.5.7.9建立一个共享内存1号，1.3.5.7.9生产者线程生产的产品都放入这块共享内存缓冲区，所有奇数的消费者线程要消费的话，只需在消费者线程中链接上这块共享内存，就可以直接消费1.3.5.7.9生产者线程生产的产品。

（2）为2.4.6.8.10建立一块共享内存2号。

2.4.6.8.10生产的产品都放入2号共享内存缓冲区，所有的偶数的消费者线程只要链接上2号缓冲区，就可以消费2.4.6.8.10生产的产品。

当偶数消费者线程消费产品后，产品即可从缓冲区撤销，方法是在消费线程里将消费的产品在共享内存数组里置0。

模拟生产者和消费者进程一、实验内容模拟实现用同步机构避免发生进程执行时可能出现的与时间有关的错误。

二、实验目的进程是程序在一个数据集合上运行的过程，进程是并发执行的，也即系统中的多个进程轮流地占用处理器运行。

我们把若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量。

由于进程是并发地执行的，所以，如果对进程访问公共变量不加限制，那么就会产生“与时间有关”的错误，即进程执行后所得到的结果与访问公共变量的时间有关。

为了防止这类错误，系统必须要用同步机构来控制进程对公共变量的访问。

一般说，同步机构是由若干条原语——同步原语——所组成。

本实习要求学生模拟PV操作同步机构的实现，模拟进程的并发执行，了解进程并发执行时同步机构的作用。

三、实验题目模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。

[提示]：(1) PV操作同步机构，由P操作原语和V操作原语组成，它们的定义如下：P操作原语P (s)：将信号量s减去1，若结果小于0，则执行原语的进程被置成等待信号量s的状态。

V操作原语V (s)：将信号量s加1，若结果不大于0，则释放一个等待信号量s的进程。

这两条原语是如下的两个过程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1;if s<0 then W (s)end {p}procedure v (var s: semaphore);egin s: = s+1;if s 0 then R (s)end {v}其中W（s）表示将调用过程的进程置为等待信号量s的状态；R（s）表示释放一个等待信号量s的进程。

在系统初始化时应把semaphore定义为某个类型，为简单起见，在模拟实习中可把上述的semaphore直接改成integer。

(2) 生产者——消费者问题。

假定有一个生产者和一个消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。

第1篇一、实验目的1. 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。

2. 进一步认识并发执行的实质。

3. 验证用信号量机制实现进程互斥的方法。

4. 验证用信号量机制实现进程同步的方法。

二、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 编程语言：C语言3. 开发工具：Visual Studio三、实验内容1. 生产者和消费者模型介绍生产者和消费者模型是操作系统中常见的一种并发控制模型，用于解决多个进程之间的同步和互斥问题。

在该模型中，生产者负责生成数据，消费者负责消费数据。

生产者和消费者通过共享资源（如缓冲区）进行通信。

2. 实验设计（1）环形缓冲区为了实现生产者和消费者的同步，我们设计了一个环形缓冲区，由若干个大小相等的缓冲块组成。

每个缓冲块可以容纳一个产品。

环形缓冲区的指针分别指向当前的第一个空缓冲块和第一个满缓冲块。

（2）信号量为了实现进程互斥和同步，我们使用了三个信号量：① 公用信号量：用于实现临界区互斥，初始值为1。

② 生产者私用信号量：用于实现生产者与消费者之间的同步，初始值为0。

③ 消费者私用信号量：用于实现生产者与消费者之间的同步，初始值为0。

（3）生产者进程生产者进程负责生成数据，并将数据存入环形缓冲区。

当环形缓冲区满时，生产者进程等待；当环形缓冲区有空位时，生产者进程继续生成数据。

（4）消费者进程消费者进程负责从环形缓冲区中取出数据并消费。

当环形缓冲区空时，消费者进程等待；当环形缓冲区有数据时，消费者进程继续消费数据。

3. 实验步骤（1）创建生产者进程和消费者进程。

（2）初始化信号量。

（3）运行生产者进程和消费者进程。

（4）按任意键停止程序，显示当前系统的各个参数的值。

四、实验结果与分析1. 实验结果通过运行实验程序，我们可以观察到生产者和消费者进程的运行情况。

当按下任意键停止程序时，程序将显示当前系统的各个参数的值，包括环形缓冲区的空位数量、生产者和消费者的状态等。

2. 分析（1）互斥：通过公用信号量实现生产者和消费者对环形缓冲区的互斥访问，防止了同时操作缓冲区的问题。

#include <stdio.h>#include <malloc.h>int processnum=0;struct pcb{int flag;int numlabel;char product;char state;struct pcb* processlink;}*exe=NULL,*over=NULL;typedef struct pcb PCB;PCB* readyhead=NULL,*readytail=NULL;PCB* consumerhead=NULL,*consumertail=NULL; PCB* producerhead=NULL,*producertail=NULL;int productnum=0;int buffersize=100;int full=0,empty=buffersize;char buffer[100];int bufferpoint=0;void linkqueue(PCB* process,PCB**tail);PCB* getq(PCB* head,PCB**tail);bool hasElement(PCB* pro);void display(PCB* p);void linklist(PCB* p,PCB* listhead);void freelink(PCB *linkhead);bool processproc();bool waitempty();bool waitfull();void signalempty();void signalfull();void producerrun();void comsuerrun();bool hasElement(PCB* pro);void linklist(PCB* p,PCB* listhead){PCB* cursor=listhead;while(cursor->processlink!=NULL){cursor=cursor->processlink;}cursor->processlink=p;}void freelink(PCB* linkhead){PCB* p;while(linkhead!=NULL){p=linkhead;linkhead=linkhead->processlink;free(p);}}void linkqueue(PCB* process,PCB** tail){if((*tail)!=NULL){(*tail)->processlink=process;(*tail)=process;}else{printf("队列未初始化!");}}PCB* getq(PCB* head,PCB** tail){PCB* p;p=head->processlink;if(p!=NULL){head->processlink=p->processlink;p->processlink=NULL;if(head->processlink==NULL)(*tail)=head;}elsereturn NULL;return p;}bool processproc(){int i,f,num;char ch;PCB*p=NULL;PCB** p1=NULL;printf("\n请输入希望产生的进程个数?");scanf("%d",&num);getchar();//if(num>=100){//printf("您怎么要产生这么多进程! Demands Denied!");//return false;//}for(i=0;i<num;i++){printf("\n请输入您要产生的进程:输入1为生产者进程:输入2为消费者进程\n");scanf("%d",&f);getchar();p=(PCB*)malloc(sizeof(PCB));if(!p){printf("内存分配失败");return false;}p->flag=f;processnum++;p->numlabel=processnum;p->state='w';p->processlink=NULL;if(p->flag==1){printf("您要产生的进程是生产者，它是第%d个进程。

操作系统实验报告——生产者和消费者问题姓名：学号：班级：一、实验内容1、模拟操作系统中进程同步和互斥；2、实现生产者和消费者问题的算法实现；二、实验目的1、熟悉临界资源、信号量及PV操作的定义与物理意义；2、了解进程通信的方法；3、掌握进程互斥与进程同步的相关知识；4、掌握用信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题；5、实现生产者－消费者问题，深刻理解进程同步问题；三、实验题目在Windows操作系统下用C语言实现经典同步问题：生产者—消费者，具体要求如下：(1)一个大小为10的缓冲区，初始状态为空。

(2)2个生产者，随机等待一段时间，往缓冲区中添加数据，若缓冲区已满，等待消费者取走数据之后再添加，重复10次。

页脚内容1(3)2个消费者，随机等待一段时间，从缓冲区中读取数据，若缓冲区为空，等待生产者添加数据之后再读取，重复10次。

四、思想本实验的主要目的是模拟操作系统中进程同步和互斥。

在系统进程并发执行异步推进的过程中，由于资源共享和进程间合作而造成进程间相互制约。

进程间的相互制约有两种不同的方式。

（1）间接制约。

这是由于多个进程共享同一资源（如CPU、共享输入/输出设备）而引起的，即共享资源的多个进程因系统协调使用资源而相互制约。

（2）直接制约。

只是由于进程合作中各个进程为完成同一任务而造成的，即并发进程各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各个进程的执行速度。

生产者和消费者是经典的进程同步问题，在这个问题中，生产者不断的向缓冲区中写入数据，而消费者则从缓冲区中读取数据。

生产者进程和消费者对缓冲区的操作是互斥，即当前只能有一个进程对这个缓冲区进行操作，生产者进入操作缓冲区之前，先要看缓冲区是否已满，如果缓冲区已满，则它必须等待消费者进程将数据取出才能写入数据，同样的，消费者进程从缓冲区读取数据之前，也要判断缓冲区是否为空，如果为空，则必须等待生产者进程写入数据才能读取数据。

在本实验中，进程之间要进行通信来操作同一缓冲区。

实验报告第页专业_______软件工程_____ 班级_________ 学号_____ 姓名实验日期：年月日报告退发(订正、重做)课程实验名称生产者与消费者问题、读者—写者问题一、实验目的1. 实现生产者消费者问题模拟2. 进一步掌握P，V如何解决同步和互斥问题二、实验环境1. Windows或Linux平台2. Eclipse、Visual Studio 2005或GCC三、实验内容、步骤和结果分析实验内容：实现生产者消费者问题模拟，显示每次添加和读取数据时缓冲区的状态，生产者和消费者可用线程模拟。

1.一个大小为10的缓冲区，初始为空。

2. 五个生产者:若缓冲区可以加入数据，则示意进入生产过程（打印出生产者ID），往缓冲区添加数据，随机等待一段时间。

若缓冲区已满，等待消费者取走数据后再添加。

3. 五个消费者：若缓冲区可以读取数据，则示意进入消费过程（打印出消费者ID），从缓冲区读取数据，随机等待一段时间；若缓冲区为空，等待生产者添加数据后再读取。

四、讨论（说明实验过程中遇到的问题及解决办法；未解决/需进一步研讨的问题或建议新实验方法等）(请利用实验二中所给的各个版本信号量类来完成实验三。

若选用Windows平台，要求一定要选用这三个文件夹中的某个信号量类Semaphore来完成实验，否则实验报告视为缺交；若选用Linux平台，也要求参照已给出的三个版本的Semaphore类的接口，先定义一个Linux版本的C++类class Semaphore，并在该类基础上完成实验，提交实验报告时请附上自定义的Semaphore类。

读者—写者问题：#include<windows.h>#include"semaphore.h"#include"thread.h"#include<iostream>using namespace std;Semaphore rmutex(1);Semaphore wmutex(1);int count=0;unsigned int WINAPI Reader(void *p){while(TRUE){rmutex.P();count++;rmutex.V();if(count == 1)wmutex.P();cout << GetCurrentThreadId() << "reading the student's table"<<endl;rmutex.P();count--;rmutex.V();if(count == 0)wmutex.V();Sleep(rand()%1000);}}unsigned int WINAPI Writer(void *p){while(TRUE){wmutex.P();cout << GetCurrentThreadId() << "writting the student's table"<<endl;wmutex.V();Sleep(rand()%1000);}}int main(){HANDLE hThread[2];hThread[0] = startThread(Reader,NULL);hThread[1] = startThread(Writer,NULL);::WaitForMultipleObjects(2,hThread,TRUE,INFINITE);CloseHandle(hThread[0]);CloseHandle(hThread[1]);return 0;}生产者与消费者问题：#include<windows.h>#include"semaphore.h"#include"thread.h"#include<iostream>using namespace std;Semaphore full(5);Semaphore empty(5);Semaphore mutex(1);int count=0;unsigned int WINAPI Producer(void *p){while(TRUE){empty.P();mutex.P();cout << GetCurrentThreadId() << " produce!"<<endl;mutex.V();full.V();Sleep(rand()%1000);}}unsigned int WINAPI Consumer(void *p){while(TRUE){full.P();mutex.P();cout << GetCurrentThreadId() << " consum!"<<endl;mutex.V();empty.V();Sleep(rand()%1000);}}int main(){HANDLE hThread[2];hThread[0] = startThread(Producer,NULL);hThread[1] = startThread(Consumer,NULL);::WaitForMultipleObjects(2,hThread,TRUE,INFINITE);CloseHandle(hThread[0]);CloseHandle(hThread[1]); return 0;}。

实验报告（学生打印后提交）实验名称: 生产者和消费者问题实验时间: 2023年 5 月 5日●实验人员:●实验目的：掌握基本的同步互斥算法, 理解生产者和消费者模型。

●了解Windows 2023/XP中多线程的并发执行机制, 线程间的同步和互斥。

●学习使用Windows 2023/XP中基本的同步对象, 掌握相应的API●实验环境: WindowsXP ＋ VC++6.0●运用Windows SDK提供的系统接口（API, 应用程序接口）完毕程序的功能。

API是操作系统提供的用来进行应用程序设计的系统功能接口。

使用API, 需要包含对API函数进行说明的SDK头文献, 最常见的就是windows.h实验环节:1.读懂源程序.2.编辑修改源程.......................................实验陈述:1.基础知识:本实验用到几个API函数：CreateThread CreateMutex, WaitForSingleObject, ReleaseMutexCreateSemaphore, WaitForSingleObject, ReleaseSemaphore, ReleaseMutex, nitializeCriticalSection, EnterCriticalSection, LeaveCriticalSection。

这些函数的作用：CreateThread, 功能：创建一个线程, 该线程在调用进程的地址空间中执行。

CreateMutex,功能：产生一个命名的或者匿名的互斥量对象。

WaitForSingleObject（相应p操作）锁上互斥锁, ReleaseMutex（相应v操作）打开互斥锁.。

CreateSemaphore, 创建一个命名的或者匿名的信号量对象。

信号量可以看作是在互斥量上的一个扩展。

WaitForSingleObject, 功能：使程序处在等待状态, 直到信号量（或互斥量）hHandle出现或者超过规定的等待最长时间, 信号量出现指信号量大于或等于1, 互斥量出现指打开互斥锁。

操作系统上机实验报告实验名称：生产者与消费者问题模拟实验目的：通过模拟生产者消费者问题理解进程或线程之间的同步与互斥。

实验内容：1、设计一个环形缓冲区，大小为10，生产者依次向其中写入1到20，每个缓冲区中存放一个数字，消费者从中依次读取数字。

2、相应的信号量；3、生产者和消费者可按如下两种方式之一设计；(1)设计成两个进程；(2)设计成一个进程内的两个线程。

4、根据实验结果理解信号量的工作原理，进程或线程的同步\互斥关系。

实验步骤及分析：一．管道（一）管道定义所谓管道，是指能够连接一个写进程和一个读进程的、并允许它们以生产者—消费者方式进行通信的一个共享文件，又称为pipe文件。

由写进程从管道的写入端（句柄1）将数据写入管道，而读进程则从管道的读出端（句柄0）读出数据。

（二）所涉及的系统调用1、pipe( )建立一无名管道。

系统调用格式pipe()参数定义int pipe();int [2];其中，[1]是写入端，[0]是读出端。

该函数使用头文件如下：#include <unistd.h>#inlcude <signal.h>#include <stdio.h>2、read( )系统调用格式:read(fd,buf,nbyte)功能：从fd所指示的文件中读出nbyte个字节的数据，并将它们送至由指针buf所指示的缓冲区中。

如该文件被加锁，等待，直到锁打开为止。

参数定义:int read(fd,buf,nbyte);int fd;char *buf;unsigned nbyte;3、write( )系统调用格式read(fd,buf,nbyte)功能：把nbyte 个字节的数据，从buf所指向的缓冲区写到由fd所指向的文件中。

如文件加锁，暂停写入，直至开锁。

参数定义同read( )。

（三）参考程序#include <unistd.h>#include <signal.h>#include <stdio.h>int pid1,pid2;main( ){int fd[2];char outpipe[100],inpipe[100];pipe(fd); /*创建一个管道*/while ((pid1=fork( ))==-1);if(pid1==0){lockf(fd[1],1,0);/*把串放入数组outpipe中*/sprintf(outpipe,"child 1 is using pipe!");/*向管道写长为50字节的串*/write(fd[1],outpipe,50);sleep(5); /*自我阻塞5秒*/lockf(fd[1],0,0);exit(0);}else{while((pid2=fork( ))==-1);if(pid2==0){lockf(fd[1],1,0); /*互斥*/sprintf(outpipe,"child 2 is using pipe!");write(fd[1],outpipe,50);sleep(5);lockf(fd[1],0,0);exit(0);}else{wait(0); /*同步*/read(fd[0],inpipe,50);/*从管道中读长为50字节的串*/printf("%s\n",inpipe);wait(0);read(fd[0],inpipe,50);printf("%s\n",inpipe);exit(0);}}}编写过程：运行结果：二、信号机制（一）信号的基本概念每个信号都对应一个正整数常量(称为signal number,即信号编号。

第一篇：操作系统实验报告经典生产者—消费者问题实验二经典的生产者—消费者问题一、目的实现对经典的生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解经典进程同步问题。

二、实验内容及要求编制生产者—消费者算法，模拟一个生产者、一个消费者，共享一个缓冲池的情形。

1、实现对经典的生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解此经典进程同步问题。

生产者－消费者问题是典型的PV 操作问题，假设系统中有一个比较大的缓冲池，生产者的任务是只要缓冲池未满就可以将生产出的产品放入其中，而消费者的任务是只要缓冲池未空就可以从缓冲池中拿走产品。

缓冲池被占用时，任何进程都不能访问。

2、每一个生产者都要把自己生产的产品放入缓冲池，每个消费者从缓冲池中取走产品消费。

在这种情况下，生产者消费者进程同步，因为只有通过互通消息才知道是否能存入产品或者取走产品。

他们之间也存在互斥，即生产者消费者必须互斥访问缓冲池，即不能有两个以上的进程同时进行。

三、生产者和消费者原理分析在同一个进程地址空间内执行两个线程。

生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。

消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。

当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放一个空缓冲区。

当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻挡，直到新的物品被生产出来。

四、生产者与消费者功能描述：生产者功能描述：在同一个进程地址空间内执行两个线程。

生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。

当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。

消费者功能描述：消费者线程从缓冲区获得物品，然后释放缓冲区，当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。

五、实验环境操作系统环境：Windows 系统。

编程语言：C#。