苹果-桔子问题的实现

摘要本设计实际是生产者—消费者的变形，通过有界缓冲区把生产者和消费者联系起。

假定生产者和消费者的优先级是相同的，只要缓冲区未满，生产者就可以往缓冲区内放入产品。

苹果与橘子的问题是典型的进程同步问题。

本问题利用C语言实现相应的P、V 原语。

主要过程可用生产消费者来模拟，这里，生产者（父亲和母亲）放入缓冲区（盘子）的产品有两类（苹果和桔子），消费者（女儿和儿子）也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。

生产者和消费者共享缓冲区，缓冲区中有空时，生产者可放入产品（不许放重），待缓冲区中有产品时，消费者可取出产品（不许取重），否则等待。

关键字：进程同步；P、V操作；信号量目录1.概述 (1)1.1问题描述 (1)1.2需求分析 (1)1.3设计目的 (1)1.4设计要求 (2)2.概要设计 (3)2.1数据结构 (3)2.2模块声明 (4)3.详细设计 (6)3.1界面设计 (6)3.2算法设计 (6)3.3设计流程图 (9)3.3.1爸爸放苹果进程操作流程图 (9)3.3.2妈妈放桔子进程操作流程图 (11)3.3.3儿子取桔子操作流程图 (12)3.3.4女儿取苹果操作流程图 (12)4.结果分析 (14)5.设计总结 (18)参考文献 (19)致谢 (19)附录 (20)1.概述1.1问题描述桌上有一个空盘子，只允许放一个水果。

爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。

规定当盘空时，一次只能放一个水果。

这个问题实际上是两个生产者和两个消费者被连接到仅能放一个产品的缓冲器上。

生产者各自生产不同的产品，但就其本质而言，他们是同一类生产者。

而消费者则各自去需要的产品消费，但消费的方式不同。

解决此类问题利用记录型信号量机制和P、V操作来实现进程同步。

进程同步是指一个进程的执行依赖于另一个进程的信号或消息，当一个进程没有得到来自与另一个进程的信号或消息时则等待，直到信号或消息到达才被唤醒。

1.2需求分析本实验进行操作系统课设的主要任务是模拟生产者与消费者问题的一个衍生，即实现苹果--橘子问题。

这个题目有两个生产者，分别生产橘子和苹果。

有两个消费者，分别消费苹果和橘子。

同时，因为两个生产者和两个消费者同时对一个缓冲区进行操作。

所以应互斥的访问的缓冲区以保证程序的正确性。

本次进程的目的就是加深个进程之间的正确有效的访问一个存储单元缓冲区，即同步和互斥。

也要涉及到信号量在互斥访问中的使用,生产者和消费者问题的实现和流程问题。

当计算机中两个或者多个进程在执行时需要使用公用缓冲区，并且对该缓冲区采取了互斥措施，这时如果并发执行这些进程的时候就会造成CPU时间的极大浪费，这是操作系统设计要求不允许的。

而这种现象在操作系统和用户进程中大量存在。

因此为了解决这一问题，提出了同步的概念，即把异部环境下的一组并发进程，因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。

1.3设计目的该问题是典型的进程同步问题。

某些进程为了完成同一任务分工合作，由于合作的每一个进程都是独立的不可预知的推进，这就需要相互合作的进程在某些合作点上协调各自的工作。

当合作进程中的一个到达合作点后，在尚未得到其他合作进程发来的消息或信号前应阻塞自己，直到其合作进程发来协调信号或消息后才能被唤醒。

这就是进程同步要解决的问题。

借助C语言实现进程同步经典问题—苹果-桔子问题，用高级语言编写和调试一个进程同步程序，以加深对进程同步机制的理解。

通过用C语言模拟进程同步实现，加深理解有关进程同步机制的概念及P、V操作的应用。

通过该题目的设计过程，掌握进程同步问题的原理、软件开发方法并提高解决实际问题的能力。

1.4设计要求这是进程同步与互斥问题的模拟，可以把向盘子放或取水果的每一个过程可以转为一个进程的操作，这些进程是互斥的，同时也存在一定的同步关系。

通过编程实践时，实际是随机的调用一个进程的操作，而这些进程的操作相当于程序中的函数调用。

而计算机在执行时每一个时刻只能执行一个操作，这就是互斥的表现。

同步的模拟可以类似于函数调用时的前提关系即先决条件。

这样进程同步模拟就完全可以通过函数的调用来实现。

为下面吃水果的问题创建进程并实现进程之间的同步模型。

能够处理以下的情形：桌子上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或者取出一个水果。

爸爸专门向盘子中放苹果，妈妈专门向盘子中放橘子，两个儿子专门等待吃盘子中的橘子，两个女儿专门等吃盘子中的苹果。

（1）分析设计要求，给出解决方案（说明设计所用的原理，采用的数据结构）。

（2）设计合适的测试用例，对得到的运行结果要有分析。

（3）设计中遇到的问题，设计的心得体会。

（4）设计到进程互斥与同步，更深了解操作系统。

2.概要设计2.1数据结构在此次程序中一共涉及到线程、函数、互斥信号、信号量和常变量。

在本程序中使用了Father、Mother、Son和Daughter等共4个线程。

Father、Mother线程的作用是模拟实现向盘子中放苹果或者橘子的操作，当主程序执行之后创建了Father或者Mother线程，则该线程会独自占用整个资源，并执行putapple或者putorange函数来实现操作，在执行Father或者Mother线程时，首先会将信号量empty减1，来说明盘子中已经放置了一个水果，之后将互斥信号mutex置0，来说明盘子已经被占用，其他进程无法占用。

当实现了putapple或者putorange后，该线程会置mutex为1，来释放资源，表明该资源可以被其他线程所使用。

接下来将apple或者orange信号进行相应的设置，表明在盘子中已经放置了苹果或者橘子，Daughter或者Son线程可以从盘子中取苹果或者橘子了。

Daughter、Son线程的作用是模拟实现从盘子中取出苹果或者橘子的操作，当主程序中执行过Father或者Mother线程之后会释放资源，这时候Daughter或者Son线程便得到了资源，在得到资源即盘子后会首先将apple或者orange信号量进行设置，恢复原来的数值以表明盘子中的水果情况，并且将mutex互斥信号进行设置，表示资源正在被占用。

在实现了getapple或者getorange后，便对mutex互斥信号进行设置，以释放资源。

有两类生产者，一类负责生产桔子，一类负责生产苹果：有两类消费者，一类负责消费桔子，一类负责消费苹果；他们共享一个有储存单元的有界缓冲区，每个存储单元只能放入一种（桔子或苹果）。

二类生产者与二类消费者数目固定，即一个生产者负责生产桔子，一个个生产者负责生产苹果；一个个消费者负责消费桔子，一个消费者负责消费苹果。

二类生产者的生产速度与二类消费者额消费速度均可独立在程序界面调节，在运行中，该值调整后立即生效；多个生产者或多个消费者之间必须有共享对缓冲区进行操作的函数代码，同时需要考虑算法的效率性。

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、每当生产者与消费者的指针位置，以及生产者的消费者线程标识符。

（1）用一个整型变量plat_size表示盘子，初始值为0，plat_size=apple+orange，当放水果plat_size加1，取水果plat_size减1。

当plat_size为1时，表示盘子已满，此时若进行放水果操作，放水果将处于等待状态；当为0时，表示盘子已空，此时若进行取水果操作，取水果操作将处于等待状态。

（2）整型变量orang和apple分别表示盘中桔子和苹果的数目，初始值都为0.。

（3）用4个整型变量father_lag、mother_lag、son_lag、daughter_lag表示4个进程是否处于等待状态，处于等待状态时，变量值为1。

（4）两个水果同时处等待状态时，若有取水果的操作将自动执行等待放水果进程，执行按等待的先后顺序。

（5）用一个随机函数产生0~3的4个整数，分别对应4个进程调用。

int apple=0; //苹果个数int orange=0; //桔子个数int father_lag=1; //father进程标志int mother_lag=1; //mother进程标志int son_lag=1; // son进程标志int daughter_lag=1; //女儿进程标志int plat_size=0; //盘子中水果数量int mf=0; //father与mother进程等待先后2.2模块声明本程序共创建了4个在windows系统环境下实现的线程，即Fahter、Mother、Son 和Daughter等4个线程，以及putapple、putorange、getapple和getorange等4个函数，其中4个线程是用于实现爸爸、妈妈、儿子和女儿分别放水果和取水果的线程操作的，并分别调用这4个函数，来实现真正的操作。

在本程序中还设置了mutex互斥信号、empty、apple和orange等信号量，用于各线程之间获取资源和放弃资源等的线程之间的操作控制，并且设置了盘子容量上线常量content。

其主要功能是用于实现爸爸和妈妈这2个互斥线程对于资源的使用操作以及爸爸和女儿、妈妈和儿子这2组同步线程对于资源的操作。

若干个函数组成一个程序文件，若干个程序文件组成一个完整的程序，因此函数是程序的基本组成部分。

在本程序中共创建了putapple( )、putorange( )、getapple( )和getorange( )等4个功能函数，分别用来模拟实现放苹果、放橘子、取苹果和取橘子的操作。

主函数main( )主要作用就是为Father、Mother、Son和Daughter 这四个线程服务，创建这几个线程，并在这些线程执行完毕后销毁它们。

主函数中Sleep( )函数，控制主线程休眠一段时间，并在此期间执行其他其他子线程，在休眠时间过后主线程执行完，整个程序执行完毕。

（1）主模块用一个随机函数产生0~3的4个整数，分别对应4个进程的调用，调用的次数可以自己输入，本程序共产生10次随机调用过程。

（2）4个进程模块爸爸向盘中放一个苹果操作：father()妈妈想盘中放一个桔子操作：mother()儿子从盘中取一个桔子操作：son()女儿从盘中取一个苹果操作：daughter()（3）printf()输出模块用于输出盘中苹果和桔子的个数及有哪些进程处于等待状态。

（4）4个bool型的变量Father_lag，Mother_lag，Son_lag,Daughter_lag，表示四个进程是否处于等待状态。

处于等待时，变量值为true。

3.详细设计3.1界面设计1、系统分析此次设计是实现特殊生产者和消费者的演示程序，所需要处理的信息是生产者和消费者的个数，生产苹果、橘子和消费苹果、橘子的速度控制，缓冲区中橘子和苹果的个数和当前生产、消费指针的位置。