实验报告五 生产者和消费者问题

实验报告五

——生产者和消费者问题

姓名：丛菲学号：20100830205 班级：信息安全二班一、实习内容

•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、实习目的

•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、实习题目

•在Linux操作系统下用C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。

(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。

•提示

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。一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种：即控制信息的传送与大批量数据传送。有时，也把进程间控制在本实验中，进程之间要进行通信来操作同一缓冲区。一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种：即控制信息的传送与大批量数据传送。有时，也把进程间控制信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。

目前，计算机系统中用得比较普遍的高级通信机制可分为3大类：共享存储器系统、消息传递系统及管道通信系统。

•共享存储器系统

共享存储器系统为了传送大量数据，在存储器中划出一块共享存储区，诸进程可通过对共享存储区进行读数据或写数据以实现通信。进程在通信之前，向系统申请共享存储区中的一个分区，并为它指定一个分区关键字。信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。

目前，计算机系统中用得比较普遍的高级通信机制可分为3大类：共享存储器系统、消息传递系统及管道通信系统。

•消息传递系统

在消息传递系统中，进程间的数据交换以消息为单位，在计算机网络中被称为报文。消息传递系统的实现方式又可以分为以下两种：

(1)直接通信方式

发送进程可将消息直接发送给接收进程，即将消息挂在接收进程的消息缓冲队列上，而接收进程可从自己的消息缓冲队列中取得消息。

(2)间接通信方式

发送进程将消息发送到指定的信箱中，而接收进程从信箱中取得消息。这种通信方式又称信箱通信方式，被广泛地应用于计算机网络中。相应地，该消息传递系统被称为电子邮件系统。

•管道通信系统

向管道提供输入的发送进程，以字符流方式将大量的数据送入管道，而接收进程从管道中接收数据。由于发送进程和接收进程是利用管道进行通信的，故称为管道通信。

为了协调发送和接收双方的通信，管道通信机制必须提供以下3方面的协调功能。

（1）互斥

当一个进程正在对pipe文件进行读或写操作时，另一个进程必须等待。

（2）同步

当写进程把一定数量的数据写入pipe文件后，便阻塞等待，直到读进程取走数据后，再把写进程唤醒。

（3）确认对方是否存在

只有确定对方已存在时，才能进行管道通信，否则会造成因对方不存在而无限制地等待。在这个问题当中，我们采用信号量机制进行进程之间的通信，设置两个信号量，空的信号量和满的信号量。在Linux系统中，一个或多个信号量构成一个信号量集合。使用信号量机制可以实现进程之间的同步和互斥，允许并发进程一次对一组信号量进行相同或不同的操作。每个P、V操作不限于减1或加1，而是可以加减任何整数。在进程终止时，系统可根据需要自动消除所有被进程操作过的信号量的影响

1．缓冲区采用循环队列表示，利用头、尾指针来存放、读取数据，以及判断队列是否为空。缓冲区中数组大小为10；

2．利用随机函数rand()得到A～Z的一个随机字符，作为生产者每次生产的数据，存放到缓冲区中；

3. 使用shmget()系统调用实现共享主存段的创建，shmget()返回共享内存区的ID。对于已经申请到的共享段，进程需把它附加到自己的虚拟空间中才能对其进行读写。

4.信号量的建立采用semget()函数，同时建立信号量的数量。在信号量建立后，调用semctl()对信号量进行初始化，例如本实习中，可以建立两个信号量SEM_EMPTY、SEM_FULL，初始化时设置SEM_EMPTY为10，SEM_FULL为0。使用操作信号的函数semop()做排除式操作，使用这个函数防止对共享内存的同时操作。对共享内存操作完毕后采用shmctl()函数撤销共享内存段。

5.使用循环，创建2个生产者以及2个消费者，采用函数fork()创建一个新的进程。

6．一个进程的一次操作完成后，采用函数fflush()刷新缓冲区。

7．程序最后使用semctl()函数释放内存。

模拟程序的程序流程图如下所示：

1.主程序流程图：