生产者消费者问题 操作系统课程设计

课程设计报告

课程名称： 操作系统

专业 计算机科学与技术

学生姓名 班级 学

号

指导教师 完成日期

信息工程学院

题目：生产者-消费者问题的模拟实现

一、设计目的

本课程设计是学习完“操作系统原理”课程后进行的一次全面的综合训练，

通过课程设计，更好地掌握操作系统的原理及实现方法，加深对操作系统基础理

论和重要算法的理解，加强学生的动手能力。

二、设计内容

（1）概述

设计目的:通过研究Linux 的进程机制和信号量实现生产者消费者问题的

并发控制。

说明:有界缓冲区内设有20个存储单元,放入/取出的数据项设定为1-20这

20个整型数。

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/消费者县城的标识符。(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有共享对缓冲区进行

操作的函数代码。

（2）设计原理

通过一个有界缓冲区把生产者和消费者联系起来。假定生产者和消费者的优先级是相同的，只要缓冲区未满，生产者就可以生产产品并将产品送入缓冲区。类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中取走产品。应该禁止生产者向满的缓冲区送入产品，同时也应该禁止消费者从空的缓冲区中取出产品，这一机制有生产者线程和消费者线程之间的互斥关系来实现。与计算打印两进程同步关系相同，生产者和消费者两进程P和C之间应满足下列两个同步条件：

①只有在缓冲池中至少有一个缓冲区已存入消息后，消费者才能从中提取信息，

否则消费者必须等待。

②只有缓冲池中至少有一个缓冲区是空时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则

生产者必须等待。

为了满足第一个同步条件，设置一个同步信号量full，它代表的资源是缓冲区满，它的初始值为0，它的值为n时整个缓冲池满。这个资源是消费者类进程C所有，C进

程可以申请该资源，对它施加P操作，而C进程的合作进程生产者进程P对它施加V操作。同样为了满足第二个同步条件，设置另一个同步信号量empty，它代表的资源是缓冲空区，它的初始值为n，表示缓冲池中所有缓冲区空。信号量full表示可用缓冲区数量，信号量empty表示缓冲区数量，设置整型变量：存入指针in和取出指针out。

为解决生产者/消费者问题，应该设置两个资源信号量，其中一个表示空缓冲区的数目，用g_hFullSemaphore表示，其初始值为有界缓冲区的大小SIZE_OF_BUFFER；另一个表示缓冲区中产品的数目，用g_hEmptySemaphore表示，其初始值为0.另外，由于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以还需要在设置一个互斥信号量

g_hMutex，初始值为1.

P原语的主要动作是：

①sem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。

V原语的操作主要动作是：

①sem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。

采用的同步方法：

1）利用函数CreateMutex(NULL,FALSE,NULL)创建互斥信号量g_hMutex，表

示缓冲区当前的状态，若为true时，则表示缓冲区正被别的进程使用。三个参

数表示的意义分别为：指向安全属性的指针，初始化互斥对象的所有者,指向互

斥对象名的指针。

2）利用函数CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1, NULL)创建缓冲区满的信号量g_hFullSemaphore，值为true时表示缓冲区已满。四

个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最

大计数、指定信号机对象的名称（-1是因为计数从开始）。

3）利用函数CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL)创建缓冲区空的信号量g_hEmptySemaphore，该值为true时表示缓冲区为空。

5、数据定义及其详细解释

const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20; //缓冲区长度

unsigned short ProductID = 0; //产品号

unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号

unsigned short in = 0; //产品进缓冲区时的缓冲区下标 unsigned short out = 0; //产品出缓冲区时的缓冲区下标 int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列

bool g_continue = true; //使程序跳出循环，控制程序结束

HANDLE g_hMutex; //用于线程间的互斥

HANDLE g_hFullSemaphore; //当缓冲区满时迫使生产者等待

HANDLE g_hEmptySemaphore; //当缓冲区空时迫使消费者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生产者线程

DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消费者线程

（3）详细设计及编码

流程图

生产者：

sem=sem-1

入口

s>=0

调用进程入等待队列转进程调度

返回是

否