操作系统课设

操作系统课程设计实现生产者消费者问题题目一：实现生产者消费者问题一、实验题目解决生产者－消费者问题二、设计内容有界缓冲区内设有１０个存储单元，放入／取出的数据项设定为１～１０这１０个整形数。

要求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／消费者标识符三、开发环境LINUX环境，工具为VI编辑器。

四、分析设计（一）实验原理使用的生产者和消费者模型具有如下特点：(1)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。

(2)消费者只消费指定生产者的产品。

(3)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。

(4)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。

Windows 用来实现同步和互斥的实体。

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

本程序中用到了前三个。

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。

当然，在进程间使用这些同步对象实现同步的方法是类似的。

1．用锁操作原语实现互斥为解决进程互斥进人临界区的问题，可为每类临界区设置一把锁，该锁有打开和关闭两种状态，进程执行临界区程序的操作按下列步骤进行：①关锁。

先检查锁的状态，如为关闭状态，则等待其打开；如已打开了，则将其关闭，继续执行步骤②的操作。

②执行临界区程序。

③开锁。

将锁打开，退出临界区。

2．信号量及WAIT，SIGNAL操作原语信号量的初值可以由系统根据资源情况和使用需要来确定。

在初始条件下信号量的指针项可以置为0，表示队列为空。

信号量在使用过程中它的值是可变的，但只能由WAIT，SIGNAL操作来改变。

设信号量为S，对S的WAIT操作记为WAIT （S），对它的SIGNAL操作记为SIGNAL（S）。

WAIT（S）：顺序执行以下两个动作：①信号量的值减1，即S=S－1；②如果S≥0，则该进程继续执行；如果 S（0，则把该进程的状态置为阻塞态，把相应的WAITCB连人该信号量队列的末尾，并放弃处理机，进行等待（直至其它进程在S上执行SIGNAL操作，把它释放出来为止）。

SIGNAL（S）：顺序执行以下两个动作①S值加 1，即 S=S＋1；②如果S）0，则该进程继续运行；如果S（0则释放信号量队列上的第一个PCB（既信号量指针项所指向的PCB）所对应的进程（把阻塞态改为就绪态），执行SIGNAL操作的进程继续运行。

在具体实现时注意，WAIT，SIGNAL操作都应作为一个整体实施，不允许分割或相互穿插执行。

也就是说，WAIT，SIGNAL操作各自都好像对应一条指令，需要不间断地做下去，否则会造成混乱。

从物理概念上讲，信号量S）时，S值表示可用资源的数量。

执行一次WAIT操作意味着请求分配一个单位资源，因此S值减1；当S<0时，表示已无可用资源，请求者必须等待别的进程释放了该类资源，它才能运行下去。

所以它要排队。

而执行一次SIGNAL操作意味着释放一个单位资源，因此S值加1；若S（0时，表示有某些进程正在等待该资源，因而要把队列头上的进程唤醒，释放资源的进程总是可以运行下去的。

由于信号量本身是系统中若干进程的共享变量，所以WAIT，SIGNAL操作本身就是临界区，对它的互斥进人可借助于更低级的硬件同步工具来实现，如关锁、开锁操作等。

1、首先引入信号量的的概念在操作系统中，信号量sem是一整数。

在sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体，但sem小于零时则正在等待使用临界区的进程数。

显然，用于互斥的信号量sem的初值应该大于零，而建立一个信号必须经过说明所建信号量所代表的意义，和赋初值以及建立相应的数据结构以便指向那些等待使用该临界区的进程。

2．WAIT，SIGNAL原语信号量的数值仅能由WAIT，SIGNAL原语操作改变。

采用WAIT，SIGNAL原语，可以把类名为S的临界区描述为When S do WAIT(sem)临界区（sem）od。

这里，sem是与临界区所使用的公用资源有关的信号量。

一次P原语操作使得信号量sem 减一，而一次SIGNAL原语操作使得信号量sem加一。

必须强调的一点是，当某个进程正在临界区内执行时，其他进程如果执行了WAIT原语操作，则该进程在等待队列中等待有其他进程做SIGNAL原语操作释放资源后，进入临界区，这时，WAIT原语的执行才算真正结束。

另外，当有好几个进程执行WAIT原语未通过而进入等待状态之后，如果有某进程作了SIGNAL原语操作，则等待进程中的一个可以进入临界区，但其他进程必须等待。

WAIT原语操作的主要动作是：（1） sem减1；（2）若sem减一后仍大于或等于零，则进程继续执行；（3）若sem减一后小于零，则该进程被阻塞后入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

WAIT原语的功能框图如一：SIGNAL原语的操作主要动作是：（1） sem加1；（2）若相加结果大于零，进程继续执行；（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

SIGNAL原语的功能框图如图：3．用WAIT，SIGNAL原语实现互斥利用信号量和WAIT，SIGNAL操作实现互斥的一般模型是：进程WAIT1 进程WAIT2 … 进程WAITnWAIT(mutex); WAIT(mutex); WAIT(mutex);临界区临界区临界区SIGNAL(mutex); SIGNAL(mutex）; SIGNAL(mutex);其中信号量mutex用于互斥，初值为1。

用WAIT，SIGNAL操作实现互斥时应注意：①在每个程序中用于实现互斥的WAIT(mutex)和SIGNAL(mutex)必须成对出现，既先做WAIT，进临界区；后做SIGNAL，出临界区。

②互斥信号量mutex的初值一般为1。

（二）程序结构程序分为一个主函数、分别用于模拟消费和生产者的两个函数以及三个辅助性的函数。

主函数用于初始化缓冲区和各个同步对象，并完成线程信息的读入和记录，最后根据该组线程记录启动模拟线程，并等待所有线程的运行结束后退出整个程序。

消费者和生产者函数运行于相应线程中完成对缓冲区的读写动作，根据此处生产消费模型的特点，生产者和消费者线程之间通过同步对象的使用实现了生产和消费动作的同步与互斥，是本试验的核心所在。

另外三个辅助函数被生产者和消费者函数调用，是上述生产和消费函数中对缓冲区访问功能的一些包装。

（三）数据结构：(1)用一个整型数组Buffer_Critical 来代表缓冲区。

不管是生产产品还是对已有产品的消费都需要访问该组缓冲区。

(2)在程序中用一个自定义结构ThreadInfo记录一条线程的信息，即将测试用例文件中的一行信息记录下来，用于程序创建相应的生产者或者消费者。

由于要创建多个线程，所以程序中使用了一个ThreadInfo结构的数组Thread lnfo。

(3)在实现本程序的消费生产模型时，具体地通过如下同步对象实现互斥：一个互斥量h_mutex，以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个空位置时进行互斥。

每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAXTHREAD_NUM]信号量数组实现，该组信号量用于表示相应产品已生产。

同时用一个表示空缓冲区数目的信号量empty_semaphore进行类似的同步，指示缓冲区中是否存在空位置，以便开始生产下一个产品。

每一个缓冲区用一个同步对象实现该缓冲区上消费者之间的互斥，这通过设置临界区对象数组PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM]实现。

(4)为了实现初始化的线程触发的模拟，还要自己额外定义一些东西。

首先，建立一个线程信息的ThreadInfo类型的数组，用来储存从文件读入信息的。

然后，由于我们并不知道消费者要消费多少个产品，因此我们的ThreadInfo类型必需要有一个数据结构用来存储这个信息，这里我用了vector去管理消费者的个数。

用getline去读入文件每一行的信息，遇到‘\0’就结束，这样便可以方便的记录消费者对应的产品。

接着，由于我们要求当消费者所有要求的产品都消费完后，一定要释放空间，我们怎样才能知道呢？通过查询h_Semaphore数组显然是不现实的。

这里我用了一个数组：int prdt_time[MAXTHREAD_NUM+1]; //每个生产者线程对应多少个消费者专门记录每个产品应该被消费多少次，当消费次数为0时，释放空间；这个数组的初始化随同文件读入完成。

最后，也是最重要的，怎样模拟线程的产生呢？我们知道的是：要按文件提供的延迟来使线程生成。

直接对ThreadInfo类型的数组进行排序，这样消耗很大，于是我自己定义一个节点结构：struct node{int delay; //延迟int que_num; //从文件读入的序号,就是对应的thread_info队列的下标};如上代码解析所示，它包含线程的队列号，即ThreadInfo数组的下标，以及该线程的延迟；这个结构是专门用来为下面的结构服务的：vector<node> Begin_que; //产生线程的次序队列这是个记录线程产生先后的队列，用sort算法对它的节点排序，延迟小的在队首，就可以实现线程生成的模拟了。

(5)在结果输出时，还要主要输出流的互斥保护：CRITICAL_SECTION print_mutex;（四）详细设计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。

顺便说一下，Linux下pthread的实现是通过系统调用clone()来实现的。

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));函数pthread_join用来等待一个线程的结束。