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.doc

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3.1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 activepthread(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libpthread.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 <semaphore.h>#include <stdio.h>#include <sys/sem.h>#include <pthread.h>#include <time.h>#include <string.h>#include <malloc.h>#define MAX_BUFFER 20int 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(&empty); sem_wait(&mutex); if(in>19) 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;s1<MAX_BUFFER;s1+) printf("%d|",buffers1); in+; printf("n-生产结束-nn"); sem_post(&mutex); sem_post(&full); void consumer(struct sem_info * rcsem) printf("第%d个消费者创建完成!.n",xiao+);while(1) sleep(gettime(); int s2=0; sem_wait(&full); sem_wait(&mutex); if(out>19) out=0; printf("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 buffer'contents is:n"); for(s2=0;s2<MAX_BUFFER;s2+) printf("%d|",buffers2); out+; printf("n-消费结束-nn"); sem_post(&mutex); sem_post(&empty); void setproduce() printf("请输入生产者的个数:"); pnum=myscanf(); for(i=0;i<pnum;i+) psemi=(struct sem_info *)malloc(sizeof(struct sem_info); psemi->semid=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;i<cnum;i+) csemi=(struct sem_info *)malloc(sizeof(struct sem_info); csemi->semid=0; printf("请输入第%d个消费者的名字:",i+1); scanf("%s",&csemi->name); getchar(); int activepthread(int number) int k1=0; int ret1; for(k1=0;k1<number;k1+) memset(&psemk1->semid,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;k2<number;k2+) memset(&csemk2->semid,0,sizeof(csemk2->semid); 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<=-99999|num>=20) printf("请输入1到20的一个整数: "); else 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 ,my 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 produce ,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 buffer'contents is:0|88|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 consumer ,the PID:134517552 ,my name is:s2 ,I will consume the products:88the out point is:1After consume the buffer'contents 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 point is:3the contents of the buffer 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is:s1 ,I will consume the products:89the out point is:10After consume the buffer'contents 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 will consume the products:67the out point is:11After consume the buffer'contents 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 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，