计算机操作系统课程设计报告《生产者---消费者问题》.doc

《计算机操作系统》课程设计 题 目： 生产者---消费者问题 专 业： 软件工程 年 级： 2010级 小组成员： A B 指导教师： 时 间： 地 点： 2012年 5 月 摘要 生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区 的线程——即所谓的"生产者"和"消费者"——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作 用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区 消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也 不会在缓冲区中空时消耗数据。 生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消 费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不 用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队 列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。 目录 1. 概述 4 2. 课程设计任务及要求 4 2.1 设计任务 4 2.2 设计要求 4 2.3 分工日程表 4 3. 算法及数据结构 4 3.1算法的总体思想 4 3.2 生产者模块 4 3.3 消费者模块 6 4. 程序设计与实现 7 4.1 程序流程图 7 4.2 程序代码 9 4.3 实验结果 14 5. 结论 16 6. 收获、体会和建议 16 6.1收获 16 7. 参考文献 17 1. 概述 本课题设计是完成了"操作系统原理"课程进行的一次全面的综合训练，通过这次课程 设计，充分检验学生对课程的掌握程度和熟练情况，让学生更好的掌握操作系统的原理 及其实现方法，加深对课程的基础理论和算法的理解，加强学生的动手能力。 2. 课程设计任务及要求 2.1 设计任务 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。 2.2 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，实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。 提示：(1) 有界缓冲区可用数组实现。 2.3 分工日程表 " "周三下午 "周四上午 "周四下午 "周五上午 "周五下午 " "A "分析题目 "讨论，分工"编写代码 "测试系统 "编写文档 " "B "分析题目 "讨论，分工"编写代码 "添加备注 "完善系统 " 3. 算法及数据结构 3.1算法的总体思想 在同一个进程地址空间内执行的两个线程。 生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。 消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。 当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者 线程释放出一个空缓冲区。当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费 者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。 3.2 生产者模块 3.2.1 功能 在同一个进程地址空间内执行的两个线程。生产者线程生产物品，然后将物品放 置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲 区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。 3.2.2 数据结构 producer_semaphore//生产者的资源信号量（初始值为缓冲区的大小） Buffer[pn] //有界缓冲区 Pn ///缓冲区目标位置 MAX_BUFFER//缓冲区上限 buffer_mutex//互斥信号量 Wait()//等待操作，用于申请资源 Signal()//信号操作，用于释放资源 Sleep()//挂起 3.2.3 算法 "void *producer_thread(void *tid){ " "pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL); " "/* 设置状态，PTHREAD_CANCEL_ENABLE是正常处理cancel信号*/ " "while(1){ " "sem_wait(&producer_semaphore); /*等待，需要生存*/ " "srand((int)time(NULL)*(int)tid); " "sleep(rand()%2+1); /*一个或两个需要生产*/ " "while((produce_pointer+1)%20==consume_pointer); /*指 【生产者-消费者问题】是计算机操作系统中多线程同步的经典问题，主要涉及进程通信、资源管理和并发控制。这个问题描述了两个线程，一个作为生产者，负责生成数据并存入固定大小的缓冲区；另一个作为消费者，从缓冲区取出并处理数据。核心在于避免生产者在缓冲区满时继续生产，以及消费者在缓冲区为空时尝试消费。 生产者-消费者模式利用阻塞队列来解耦两者，使得生产者生产完数据后无需等待消费者处理，而消费者也不需要知道数据何时产生，只需从队列中取数据。这里的阻塞队列实际上是一个有限的缓冲区，通常使用信号量（如互斥量和条件变量）来实现同步和资源管理。 课程设计任务要求学生基于Linux的进程机制和信号量实现这一问题的并发控制。具体要求包括： 1. 实时显示缓冲区内容、指针位置和操作线程标识。 2. 至少两个生产者和消费者。 3. 共享对缓冲区操作的函数代码，确保并发安全。 算法及数据结构方面，生产者线程和消费者线程是同一地址空间内的两个线程。生产者拥有一个生产者信号量（初始值等于缓冲区大小），用于控制是否有空闲缓冲区可以使用。当缓冲区满时，生产者会等待消费者释放空间。消费者则使用类似机制，只有在缓冲区非空时才能消费数据。 程序设计与实现部分可能包含以下几个步骤： 1. 创建并初始化必要的信号量，如互斥量（用于保护缓冲区访问）和条件变量（用于同步生产者和消费者）。 2. 设计生产者线程，其主要任务是生成数据并尝试将数据放入缓冲区，如果缓冲区满，则等待消费者消费。 3. 设计消费者线程，其主要任务是从缓冲区取出数据并处理，如果缓冲区为空，则等待生产者生产。 4. 编写共享的缓冲区操作函数，确保线程安全。 5. 运行程序并观察实验结果，验证是否满足设计要求。 通过课程设计，学生能深化理解操作系统的并发控制机制，提升编程和问题解决能力。在完成设计后，学生应总结收获，提出体会和改进建议，进一步完善自己的知识体系。参考文献则提供了更多的学习资源，帮助深入理解相关概念和技术。