生产者消费者问题模拟实现(z)

生产者-消费者实验1.1实验目的和要求1.1.1实验目的操作系统的基本控制和管理控制都围绕着进程展开，其中的复杂性是由于支持并发和并发机制而引起的。

自从操作系统中引入并发程序设计后，程序的执行不再是顺序的，一个程序未执行完而另一个程序便已开始执行，程序外部的顺序特性消失，程序与计算不再一一对应。

并发进程可能是无关的，也可能是交互的。

然而，交互的进程共享某些变量，一个进程的执行可能会影响其他进程的执行结果，交互的并发进程之间具有制约关系、同步关系。

其中典型模型便是生产者-消费者模型。

本实验通过编写和调试生产者-消费者模拟程序，进一步认识进程并发执行的实质，加深对进程竞争关系，协作关系的理解，掌握使用信号量机制与P、V操作来实现进程的同步与互斥。

1.1.2实验要求1．用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行，并采用信号量机制与P、V操作实现进程间同步与互斥。

2．撰写实验报告，报告应包含以下容：（1）实验目的；（2）实验容；（3）设计思路；（4）程序流程图；（5）程序中主要数据结构和函数说明；（6）带注释的源程序代码；（7）程序运行结果及分析；（8）实验收获与体会。

1.2预备知识1.2.1生产者—消费者问题生产者—消费者问题表述如下：如图3.1所示，有n个生产者和m个消费者，连接在具有k个单位缓冲区的有界环状缓冲上，故又称有界缓冲问题。

生产者不断生成产品，只要缓冲区未满，生产者进程pi所生产的产品就可投入缓冲区；类似的，只要缓冲区非空，消费者进程cj就可以从缓冲区取走并消耗产品。

图 3.1 生产者—消费者问题示意图著名的生产者—消费者问题（producer-consumer problem）是计算机操作系统中并发进程在关系的一种抽象，是典型的进程同步问题。

在操作系统中，生产者进程可以是计算进程、发送进程，而消费者进程可以是打印进程、接收进程等，解决好生产者—消费者问题就解决了一类并发进程的同步问题。

操作系统实现进程同步的机制称为同步机制，它通常由同步原语组成。

不同的同步机制采用不同的同步方法，迄今已设计出多种同步机制，本实验采用最常用的同步机制：信号量及PV操作。

1.2.2信号量与PV操作1965年，荷兰计算机科学家E.W.Dijkstra提出新的同步工具——信号量和PV操作，他将交通管制中多种颜色的信号灯管理方法引入操作系统，让多个进程通过特殊变量展开交互。

一个进程在某一关键点上被迫停止直至接收到对应的特殊变量值，通过这一措施任何复杂的进程交互要求均可得到满足，这种特殊变量就是信号量（semaphore）。

为了通过信号量传送信号，进程可利用P和V两个特殊操作来发送和接收信号，如果协作进程的相应信号仍未到达，则进程被挂起直至信号到达为止。

在操作系统中用信号量表示物理资源的实体，它是一个与队列有关的整型变量。

具体实现时，信号量是一种变量类型，用一个记录型数据结构表示，有两个分量：一个是信号量的值，另一个是信号量队列的指针。

信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。

除了赋初值之外，信号量仅能由同步原语PV对其操作，不存在其他方法可以检查或操作信号量，PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。

利用信号量和PV操作即可解决并发进程竞争问题，又可解决并发进程协作问题。

信号量按其用途可分为两种：公用信号量，联系一组并发进程，相关进程均可在此信号量上执行PV操作，用于实现进程互斥；私有信号量，联系一组并发进程，仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作，而其他相关进程可在其上执行V操作，初值往往为0或正整数，多用于并发进程同步。

信号量的定义为如下数据结构：typedef struct semaphore{int value; //信号量的值struct pcb *list; //信号量队列的指针}信号量说明： semaphore s;P、V操作原语描述如下：（1）P(s)：s.value--；若s.value≥0，则执行P(s)的进程继续执行；若s.value<0，则执行P(s)的进程被阻塞，并把它插入到等待信号量s的阻塞队列中。

（2）V(s)：s.value++；若s.value≤0，则执行V(s)的进程从等待信号量s的阻塞队列中唤醒头一个进程，然后自己继续执行。

若s.value>0 ，则执行V(s)的进程继续执行；1.2.3信号量实现互斥信号量和PV操作可用来解决进程互斥问题。

为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源设置一互斥信号量mutex，并置初值为1，然后将各进程访问该资源的临界区置于P(mutex)和V(mutex)操作之间即可。

用信号量和PV操作管理并发进程互斥进入临界区的一般形式为：semaphore mutex;mutex = 1;cobeginprocess Pi() /*i = 1,2, …，n */{P(mutex);/*临界区*/V(mutex);}coend当有进程在临界区中时，mutex的值为0或负值，否则mutex值为1，因为只有一个进程，可用P操作把mutex减至0，故可保证互斥操作，这时试图进入临界区的其它进程会因执行P(mutex)而被迫等待。

mutex的取值围是1~-(n-1)，表明有一个进程在临界区执行，最多有n-1个进程在信号量队列中等待。

1.2.4信号量解决生产者—消费者问题信号量和PV操作不仅可以解决进程互斥问题，而且是实现进程同步的有力工具。

在协作进程之间，一个进程的执行依赖于协作进程的信息或消息，在尚未得到来自协作进程的信号或消息时等待，直至信号或消息到达时才被唤醒。

生产者—消费者问题是典型的进程同步问题，对于生产者进程：生产一个产品，当要送入缓冲区时，要检查是否有空缓冲区，若有，则可将产品送入缓冲区，并通知消费者进程；否则，等待；对于消费者进程：当它去取产品时，要看缓冲区中是否有产品可取，若有则取走一个产品，并通知生产者进程，否则，等待。

这种相互等待，并互通信息就是典型的进程同步。

因此应该设两个同步信号量：信号量empty表示可用的空缓冲区的数目，初值为k；信号量full表示可以使用产品的数目，初值为０。

缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为１。

用信号量机制解决生产者—消费者问题可描述如下：item B[k];semaphore empty; empty=k; //可以使用的空缓冲区数semaphore full; full=0; //缓冲区可以使用的产品数semaphore mutex; mutex=1; //互斥信号量int in=0; //放入缓冲区指针int out=0; //取出缓冲区指针cobeginprocess producer_i() process consumer(){ {While(true) While(true){ {produce(); P(full);P(empty); P(mutex);P(mutex); take fromB[out];append to B[in]; out =(out+1)%k;in = (in+1)%k; V(mutex);V(mutex); V(empty);V(full);consume();} } } } Coend程序中的P(mutex)和V(mutex)必须成对出现，夹在两者之间的代码段是临界区；施加于信号量empty和full上的PV操作也必须成对出现，但分别位于不同的程序中。

在生产者消费者问题中，P操作的次序是很重要的，如果把生产者进程中的两个P操作交换次序，那么，当缓冲区中存满k件产品时，生产者又生产一件产品，在它欲向缓冲区存放时，将在P(empty)上等待，由于此时mutex=0，它已经占有缓冲区，这时消费者预取产品时将停留在P(mutex)上而得不到使用缓冲区的权力。

这就导致生产者等待消费者取走产品，而消费者却在等待生产者释放缓冲区的占有权，这种互相之间的等待永远不可能结束。

所以，在使用信号量和PV操作实现进程同步时，特别要当心P操作的次序，而V操作的次序无关紧要。

一般来说，用于互斥的信号量上的P操作总是在后面执行。

1.3生产者消费者问题模拟实现1.3.1实验容考虑一个系统中有n个进程，其中部分进程为生产者进程，部分进程为消费者进程，共享具有k个单位的缓冲区。

现要求用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行的过程，并采用信号量机制与P、V操作实现生产者进程和消费者进程间同步以及对缓冲区的互斥访问。

利用信号量机制解决此问题的算法见3.2.4所示。

1.3.2实验指导1．设计提示（1）本实验并不需要真正创建生产者和消费者进程，每个进程用一个进程控制块（PCB）表示。

PCB数据结构如下：typedef struct Process//进程PCB{char name[10]; //进程名int roleFlag; //进程类型（1：生产者 0: 消费者）int currentState; //进程状态（1: 可运行态 0: 阻塞态）int currentStep; //断点int data; //临时数据int code; //进程编号}Process;（2）程序中应指定缓冲区的数目，进程总个数等，现考虑共有4个生产者和消费者进程，缓冲区数目是两个，定义如下所示：#define dataBufferSize 2 //缓冲区数目#define processNum 4 //进程数量(生产者、消费者进程总数目)struct DataBuffer //缓冲区{int buffer[dataBufferSize];int count; //当前产品数量} dataBuffer;（3）为解决生产者-消费者问题需设两个同步信号量：信号量empty表示可用的空缓冲区的数目，初值为缓冲区数目；信号量full表示可以使用产品的数目，初值为０。

缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为１。

信号量定义和说明如下所示：typedef struct Seamphore //信号量{int value; //信号量的值int *pcq; //信号量队列指针} Seamphore;int producerCongestionQueue[processNum]; //等待信号量empty的阻塞队列int consumerCongestionQueue[processNum]; //等待信号量full的阻塞队列int shareCongestionQueue[processNum]; //等待信号量mutex的阻塞队列Seamphore empty={dataBufferSize,producerCongestionQueue};Seamphore full={0,consumerCongestionQueue};Seamphore mutex={1,shareCongestionQueue};（4）为模拟多个生产者和多个消费者进程并发执行的过程，首先根据进程总个数产生若干生产者和若干消费者进程，然后随机调度一个处于就绪态的进程，判断是生产者还是消费者，然后执行不同的代码，为模拟并发执行，进程每执行一步操作就中断执行，再调度其他进程运行，在被中断进程的PCB中记录了中断的位置，等到下次被调度执行时则从此位置继续执行。