生产者消费者问题设计与实现

操作系统课程设计任务书

目录

1.选题背景 (1)

2.设计思路 (1)

3.过程讨论 (1)

4.结果分析 (7)

5.结论 (8)

参考文献 (9)

致谢 (10)

附录 (10)

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1.选题背景

生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一，它描述是有一块缓冲区作为仓库，生产者可以将产品放入仓库，消费者则可以从仓库中取走产品。解决生产者/消费者问题的方法可分为两类：（1）采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；（2）在生产者和消费者之间建立一个管道。第一种方式有较高的效率，并且易于实现，代码的可控制性较好，属于常用的模式。第二种管道缓冲区不易控制，被传输数据对象不易于封装等，实用性不强。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。

同步问题核心在于：如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制，保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化，提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共有四种方法支持同步，其中前三个是同步方法，一个是管道方法。

2．设计思路

2.1.生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。

2.2计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。

2.3而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者

3.过程论述

首先，生产者和消费者可能同时进入缓冲区，甚至可能同时读/写一个存储单元，将导致执行结果不确定。这显然是不允许的。所以，必须使生产者和消费者互斥进入缓冲区。即某时刻只允许一个实体（生产者或消费者）访问缓冲区，生产者互斥消费者和其他任何生产者。

其次，生产者不能向满的缓冲区写数据，消费者也不能在空缓冲区中取数据，即生产者与消费者必须同步。当生产者产生出数据，需要将其存入缓冲区之前，首先检查缓冲区中是否有“空”存储单元，若缓冲区存储单元全部用完，则生产者必须阻塞等待，直到消费者取走一个存储单元的数据，唤醒它。若缓冲区内有“空”存储单元，生产者需要判断此时是否有别的生产者或消费者正在使用缓冲区，若是有，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，将数据存入缓冲区，释放缓冲区的使用权。消费者取数据之前，首先检查缓冲区中是否存在装有数据的存储单元，若缓冲区为“空”，则阻塞等待，否则，判断缓冲区是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，进入缓冲

区取数据，释放缓冲区的使用权。

3.1系统流程图

3.1.1生产者流程图：

3.1.2消费者流程图：

3.1.3主程序流程图：

3.1.4生产者:ProducerThread

//定义生产者线程

class ProducerThread implements Runnable {

int productNo = 0; //产品编号

int id; //生产者ID

public ProducerThread(int id){

this.id = id;

}

public void run(){

while(isRun){

productNo++; //生产产品

buffers.put(productNo, id); //将产品放入缓冲队列

try{

Thread.sleep(1000);

}catch(Exception e){

e.printStackTrace();

}

}

}

}

3.1.5消费者 ConsumerThread

//定义消费者线程

class ConsumerThread implements Runnable {

int id; //消费者ID

public ConsumerThread(int id){

this.id = id;

}

public void run(){

while(isRun){

buffers.get(id); //从缓冲队列中取出产品

try{

Thread.sleep(1000);

}catch(Exception e){

e.printStackTrace();

}

}

}

}

3.1.6缓冲区Buffer

class Buffer {

JTextArea ta;

static final int productBufferNum = 10; //缓冲单元数

ProductBuffer pBuffer[] = new ProductBuffer[productBufferNum]; //缓冲队列

int in = 0; //缓冲单元指针，用于放产品get()

int out = 0; //缓冲单元指针，用于取产品put()

int consumeProductNo; //记录消费产品的编号

int usedBufferNum = 0; //记录缓冲队列已使用的缓冲单元个数

public Buffer (JTextArea ta){

this.ta = ta;

//初始化

for(int j=0; j

pBuffer[j] = new ProductBuffer();

}

for(int i=0; i

pBuffer[i].product = -1;

pBuffer[i].hasProduct = false;

}

}

//取产品

public synchronized void get(int id){

//缓冲队列空则等待

if(usedBufferNum <= 0){

try{

super.wait();

}catch(Exception e){

e.printStackTrace();

}

}

consumeProductNo = pBuffer[out].product; //取出产品

pBuffer[out].product = 0; //清空缓冲单元

pBuffer[out].hasProduct = false; //置"无产品"标识

usedBufferNum--;

//输出本次取产品后缓冲队列的情况

ta.append("消费者"+id+"将产品"+consumeProductNo+"从缓冲单元"+out+"取出，缓冲队列状态如下：\n");

printBuffer();

out=(out+1)%productBufferNum; //更新指针

//唤醒等待线程

super.notify();

}

//放产品

public synchronized void put(int productNo, int id){