操作系统实验报告经典生产者—消费者问题

实 验 二 经 典 的 生 产 者 — 消 费 者 问 题

一、目的

实现对经典的生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解经典进程同步问题。

二、实验内容及要求

编制生产者—消费者算法，模拟一个生产者、一个消费者，共享一个缓冲池的情形。

1、实现对经典的生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解此经典进程同步问题。生产者－ 消费者问题是典型的 PV 操作问题，假设系统中有一个比较大的缓冲池，生产者的任务是只要缓冲池未满就可以将生产出的产品放入其中，而消费者的任务是只要缓冲池未空就可以从缓冲池中拿走产 品。缓冲池被占用时，任何进程都不能访问。

2、每一个生产者都要把自己生产的产品放入缓冲池，每个消费者从缓冲池中取走产品消费。在这种情况下，生产者消费者进程同步，因为只有通过互通消息才知道是否能存入产品或者取走产品。他们之间也存在互斥，即生产者消费者必须互斥访问缓冲池，即不能有两个以上的进程同时进行。

三、生产者和消费者原理分析

在同一个进程地址空间内执行两个线程。

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挡，直到新的物品被生产出来。

四、生产者与消费者功能描述：

生产者功能描述：在同一个进程地址空间内执行两个线程。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。

消费者功能描述：消费者线程从缓冲区获得物品，然后释放缓冲区，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。

五、实验环境

操作系统环境：

Windows 系统。编程语言：

C#。

六、生产者与消费者的思路和设计

1、程序流程图 (1) 生产者 开 始 生产产品 Wait empty ≤ 0 Y N Wait 缓冲区内已满， 已无 可用缓冲区 N Mutex=1 Y 缓冲区正被其他 程占用 进 存入缓冲区 empty = empty- 1 Signal Signal (full) 结 束

(2) 消费者

开 始 Wait (full) 消费请求 full ≤ 0 Y N Wait 缓冲区内产品已空， 不能进行消费 N Mutex=1 Y 消 费 缓冲区正被其他 程占用 进 full = full - 1 Signal Signal 结 束

2、主要程序代码 // 初始化变量 private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) { mutex = 1; // 互斥信号量 full = 0; // 缓冲池中满缓冲区的数量 empty = 5;// 缓冲池中空缓冲区的数量 count1 = 0;// 生产的产品数目 i = 0; = "1"; = "0"; = "5"; } // 消费者从缓冲区中消费一个产品 private void consumer_Click(object sender, EventArgs e) { if (full > 0) { // 消费者已进入互斥临界区 if (mutex == 1) // 申请进入临界区 { mutex = 0; // 消费者已进入互斥临界区 = "0"; = true;// 启动消费者消费缓冲区产品 } else { (" 缓冲区被占用，请等待。。。

", " 信息提 "; } } else { (" 缓冲区为空，不能消费 !", " 信息提示 ", ; } } // 生产者向缓冲区中存入一个产品 private void producer_Click(object sender, EventArgs e) {

count1 = count1 + if (empty > 0) { 1;

//

// 生产一个产品

有缓冲区可放产品 if (mutex == 1) {

//

申请进入临界区 mutex = 0;

//

生产者已进入临界区 = "0";

(); // 启动生产者将产品放入缓冲区 } else { // 不能进入临界区 count1 = count1 - 1; (" 缓冲区被占用，请等待。。。

", " 信息提示 ", ; } } else { (" 缓冲区已满 !", " 信息提示 ", ; // 无缓冲区可放产品 count1 = count1 - 1; } } // 生产者 private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e) { if (bool1) { switch (count1) { case 1: = true; break; case 2: = true; break; case 3: = true; break; case 4: = true; break; case 5: = true; break; } = " 生产者进程占用缓冲区，请等待。。。。

"; bool1 = false; } else { switch (count1) { case 1: = false; break; case 2: = false; break; case 3: = false; break; case 4: = false; break; case 5: = false; break; } = " 生产者进程占用缓冲区，请等待。。。。

"; bool1 = true; } i = i + 1; if (i == 5)

{ // 循环缓冲区，首尾相接 i = 0; = false; mutex = 1; = "1"; switch (count1) { case 1: = true; break; case 2: = true; break; case 3: = true; break; case 4: = true; break; case 5: = true; break; } full = full + 1; = (); empty = empty - 1; = (); = " 生产结束 !"; } } // 消费者 private void timer_consumer_Tick(object sender, EventArgs e) { if(bool1){ switch(count1){ case 1: = true; break; case 2: = true; break; case 3: = true; break; case 4: = true; break; case 5: = true; break; } = " 消费者进程占用缓冲区，请等待。。。。

"; bool1 =false; } else{ switch(count1){ case 1: = false; break; case 2: = false; break; case 3: = false; break; case 4: = false; break; case 5: = false; break; } = " 消费者进程占用缓冲区，请等待。。。。

"; bool1= true; }

i = i + 1; if(i==5){ i = 0; = false; mutex = 1; = "1"; switch(count1){ case 1: = false; break; case 2: = false; break; case 3: = false; break; case 4: = false; break; case 5: = false; break; } count1 = count1 - 1; full = full - 1; = (); empty = empty+1; =(); =" 消费结束！

"; } 3、运行界面和运行结果 一般情况下，点一次生产者按纽， mutex 由 1 变为 0，缓冲区呈现闪烁状态（表示正在存储）

， 此时不可以再进行缓冲区操作，否则将显示“生产者进程正在占用缓冲区，请等待” 。闪烁约秒后， mutex 由 0 变为 1，闪烁停止，表示存储过程结束；点一次消费者按纽， mutex 由 1 变为 0，缓冲区呈现闪烁状态（表示正在消费）

，此时不可以再进行缓冲区操作，否则将显示“消费者进程正在占用缓 冲区，请等待” 。闪烁约秒后， mutex 由 0 变为 1，闪烁停止，表示消费过程结束。缓冲池满后，若再点生产者按纽，会给出信息提示：

“缓冲区已满 ! ”。

缓冲池空后，若再点消费者按纽，也会给出信息提示：

“缓冲区为空，不能消费 ! ” 。

在存储状态或消费状态（闪烁状态）

，无论是点生产者按纽还是消费者按纽都会给出“缓冲区被占用，请等待。。”信息提示。

七、心得体会

本次实验是关于生产者与消费者之间互斥和同步的问题。问题的是指是 P、V 操作，实验设一个共享缓冲区，生产者和消费者互斥的使用，当一个线程使用缓冲区的时候，另一个让其等待直到前一 个线程释放缓冲区为止。

生产者与消费者是一个与现实有关的经验问题， 通过此原理举一反三可以解决其他类似的问题。

通过本实验设计，我们对操作系统的 P、V 进一步的认识，深入的了解 P、V 操作的实质和其重 要性。课本的理论知识进一步阐述了现实中的实际问题。

实验中，我们小组分工合作，共同学习，虽然在实验中遇到了一些问题，但在老师和同学的细心指导和热心帮助下解决了。同时，了解到团队精神的重要性，也为以后的学习和工作打下了坚实的基础，同时积累了宝贵的经验。

发人深省。

文章首尾呼应，结构完整！

南京信息工程大学 实验（实习）报告

实验（实习）名称 生产者-消费者问题的模拟实现 实验（实习）日期 2014.11.30 得分 指导教师 陈遥

系 计算机

专业 计科 年级 12级

班次 2 姓名 唐薇 学号 20122308061

一、实验目的

本实验的目的是通过编写和调试一个解决生产者–消费者问题的简单模拟程序，进一步深入理解课堂教学中讲授的进程同步问题，以及用于解决同步问题的信号量机制的基本思想，即通过研究进程同步和信号量机制实现生产者消费者问题的并发控制，以便阶段性地巩固学习成果。

二、实验内容

（1）概述

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。

编制程序模拟解决生产者-消费者同步问题。具体设计要求:(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/消费线程的标识符。(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，这一机制由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Producer和Consumer之间应满足下列两个同步条件：

• 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。

• 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。这个资源是消费者进程Consumer所有，Consumer进程可以申请该资源，对它施加P操作，而Consumer进程的合作进程生产者进程Producer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：

• sem（信号量）减1；

• 若sem减一后仍大于或等于零，则进程继续执行；

• 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：

• sem加1；

• 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)创建缓冲区空的信号量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)创建缓冲区满的信号量g_hEmptySemaphore，该值为true时表示缓冲区为空。

程序清单 1.存储结构定义

利用信号量解决生产者消费者问题

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; //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

2.算法相关的函数

（1）创建各个互斥信号以及生产者线程和消费者线程的函数在如下主函数里面所示： int main() { //创建各个互斥信号

g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); //调整下面的数值，可以发现，当生产者个数多于消费者个数时， //生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待。 const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; //生产者的个数 const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; //消费者的个数 //总的线程数

const unsigned short THREADS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreads[THREADS_COUNT]; //各线程的handle DWORD producerID[PRODUCERS_COUNT]; //生产者线程的标识符 DWORD consumerID[CONSUMERS_COUNT]; //消费者线程的标识符 //创建生产者线程

for (int i=0; i

for ( i=0; i

//生产一个产品。简单模拟了一下，仅输出新产品的ID号 void Produce() { std::cerr

for (int i=0; i

for (int i=0; i

DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) { while(g_continue) { WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); } return 0; } （2）消费者算法： //消费者

DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) { while(g_continue) { WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); } return 0; } • 运行结果分析

输入输出数据说明和分析：

该程序设置的缓冲区数据长度为20，生产者个数为3，消费者个数为1，程序启动后，生产者先进行生产，当3个生产者全部生产完之后，消费者开始从缓冲区中取出产品，当消费者取出一个后，生产者开始继续生产，当生产完3个之后，消费者开始从缓冲池中取产品，依次循环。

三、小结

通过本次试验，我对操作系统中线程，进程同步互斥等知识的应用有了更深的了解，我知道了生产者—消费者问题是很著名的同步问题，的确是既简单又复杂。

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