用多线程同步方法解决生产者消费者问题

武汉理工大学华夏学院课程设计报告书

课程名称：操作系统原理

题目：用多线程同步方法解决生产者－消费者问题系名：信息工程系

专业班级：软件1091班

姓名：千里锋行

学号： 10212809121

指导教师:赵传斌苏永红

2011年12月21日

课程设计任务书

学生姓名：千里锋行专业班级：软件1091

指导教师：苏永红工作单位：

设计题目：用多线程同步方法解决生产者－消费者问题

初始条件：

1．操作系统：Linux

2．程序设计语言：C语言

3．有界缓冲区内设有20个存储单元，其初值为0。放入／取出的数据项按增序设定为1－20这20个整型数。

要求完成的主要任务:

主要任务：

通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制。

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。

(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共享对缓冲区进行操作的函数代码。

提示:

(1)有界缓冲区/连续存储区可用数组实现。

(2)编译命令可用：

gcc -lpthread -o 目标文件名源文件名

(3)多线程编程方法参见电子文档。

设计报告撰写格式要求：

1设计题目与要求 2 设计思想

3系统结构 4 数据结构的说明和模块的算法流程图

5 使用说明书（即用户手册）：内容包含如何登录、退出、读、写等操作说明

6 运行结果和结果分析（其中包括实验的检查结果、程序的运行情况）

7 自我评价与总结

8 附录：程序清单，注意加注释（包括关键字、方法、变量等），在每个模块前加注释；时间安排

12月19日布置课程设计任务；分配题目后，查阅资料、准备程序；

12月 19 ～12月21 日上机调试程序、书写课程设计报告；

12月22 日提交课程设计报告及相关文档。

指导教师签字：2011年12月17日系主任签字： 2011年 12月 18日

一．设计题目与要求

1设计目的

通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者问题(Producer-Consumer Problem)的并发控制。

2设计要求

1）为每个生产者／消费者产生一个线程，设计正确的同步算法

2）每个生产者/消费者对该存储区进行操作后，即时显示该存储区的全部内容、当前指针位置和生产者/消费者线程的自定义标识符。

3）生产者和消费者各有两个以上。

4）多个生产者/消费者之间须共享对存储区进行操作的函数代码。

二．设计思想

本次课设涉及到同步信号量和互斥信号量的应用，在这里我用线程的同步和互斥来实现。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。

在本问题中,共需要一个Mutex和两个Semaphore，其中Mutex是来用锁定临界区的,以解决对共享数据buffer的互斥访问问题(无论是对生成者还是对消费者);我们

共需要两个Semaphore,这是因为在本问题中共有两个稀缺资源.第一种是"非空"这种资源,是在消费者之间进行竞争的；第二种是"非满"这种资源,是在生产者之间进行竞争的.所以,一般来说,需要锁定临界区,就需要Mutex;有几种稀缺资源就需要几个Semaphore.

稀缺资源不一定是指被共享的资源,很多时候是指线程会被阻塞的条件(除了要进临界区被阻塞外).

在生产者消费者问题中,消费者会在缓冲区为空时被阻塞,所以"非空"是一种稀缺资源。需要设置一个信号量consumer_semaphore,初值设为0，生产者会在缓冲区为满时被阻塞,所以"非满"也是一种稀缺资源.需要设置一个信号量producer_semaphore,初值设为buffer的大小MAX_BUFFER。

三．系统结构

四．数据结构的说明和模块的算法流程图生产者方法：消费者方法：

五．使用说明书

1.宏的意义：

N：消费者或者生产者的数目

M：缓冲区的数目

2.程序的运行

a．打开linux的终端；

b．编译程序，输入命令

gcc –o dyb dyb.c –pthread ;

./dyb

3.显示结果

程序运行后不需要接受用户输入，直接显示运行结果。

六．运行结果和结果分析

[dj@softeem ~]$ ls

dyb.c 公共的模板视频图片文档下载音乐桌面[dj@softeem ~]$ gcc -o dyb dyb.c -pthread

[dj@softeem ~]$ ./dyb

producer1 in 0: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 0: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 1: 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer2 in 1: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 2: 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 2: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 3: 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer2 in 3: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 4: 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 4: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 5: 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer2 in 5: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 6: 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 6: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 7: 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer2 in 7: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 8: 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 8: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 9: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer2 in 9: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 10: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 10: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 11: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

customer2 in 11: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 12: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

customer1 in 12: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 13: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

customer2 in 13: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 14: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

customer1 in 14: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 15: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

customer2 in 15: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 16: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

customer1 in 16: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 17: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

customer2 in 17: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer1 in 18: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

customer1 in 18: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

producer2 in 19: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

customer2 in 19: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

对于此程序，有20个缓冲区，定义了两个生产者和两个消费者，生产者和消费者是模拟的现实中的生产与消费的关系，生产者生产产品时占用一个线程，消费者取一个产品时启用一个线程，生产产品和消费产品是利用锁来实现的。

但是最后还是有问题没能解决好，就是生产一个消费一个，缓冲区就没有利用好。

七．自我评价与总结

本次课程设计，听了邓君老师几天的讲解，见识到了他的年轻有为，也让自己对IT行业有了更深的向往。同时也加深了一些对多线程编程方法的理解，和使用信号量同步进/线程的技巧。

上课时看邓老师演示在linux下编写一个多人聊天的小程序，我在下面也跟住做。几次遇到了问题，老师都及时耐心的给我解决。最后我也跟着老师敲代码，虽然只是敲代码，不是自己的思想写出来的，但是万事开头难，我觉得只要我动手了，就成功了一半。在跟着老师做的过程中，我体会到了自己的不足，很多地方都不懂，但是我觉得在这个阶段对一些比较深的东西也不一定要处处都弄懂，有时候子要自己跟着做，会用，久而久之也会随着经验的加深而慢慢弄懂，这虽然是一种不求甚解的态度，但在初级编程中往往是很有用的。

本次课程设计的程序更具要求定义了20个缓冲区，基本上能顺利解决生产者消费者问题，但也存在很多不足之处。因为程序都是根据别人的来的，所以往往想加入自己的想法，比如随机函数解决随机的问题时遇到障碍，最后由于出现的错误太多，时间不够，所以只得放弃，只能在一些小的边边角角上稍加改动，试着去体会这个程序的思想。

七．附录

程序清单：

#include

#include

#include

#include

#include

#define N 2 // 消费者或者生产者的数目

#define M 20 // 缓冲数目

int in = 0; // 生产者放置产品的位置

int out = 0; // 消费者取产品的位置

int buff[M] = {0}; // 缓冲初始化为0，开始时没有产品

sem_t empty_sem; // 同步信号量，当满了时阻止生产者放产品sem_t full_sem; // 同步信号量，当没产品时阻止消费者消费pthread_mutex_t mutex; // 互斥信号量，一次只有一个线程访问缓冲int product_id = 0; //生产者id

int prochase_id = 0; //消费者id

/* 打印缓冲情况*/

void print()

{

int i;

for(i = 0; i < M; i++)

printf("%d ", buff[i]);

printf("\n");

}

/* 生产者方法*/

void *product()

{

int id = ++product_id;

while(1)

{

// 用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察

sleep(1);

//sleep(1);

sem_wait(&empty_sem);

pthread_mutex_lock(&mutex);

in = in % M;

printf("producer%d in %d: ", id, in);

buff[in] = 1;

print();

++in;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

sem_post(&full_sem);

}

}

/* 消费者方法*/

void *prochase()

{

int id = ++prochase_id;

while(1)

{

// 用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察sleep(1);

//sleep(1);

sem_wait(&full_sem);

pthread_mutex_lock(&mutex);

out = out % M;

printf("customer%d in %d: ", id, out);

buff[out] = 0;

print();

++out;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

sem_post(&empty_sem);

}

}

int main()

{

pthread_t id1[N];

pthread_t id2[N];

int i;

int ret[N];

// 初始化同步信号量

int ini1 = sem_init(&empty_sem, 0, M);

int ini2 = sem_init(&full_sem, 0, 0);

if(ini1 && ini2 != 0)

{

printf("sem init failed \n");

exit(1);

}

//初始化互斥信号量

int ini3 = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

if(ini3 != 0)

{

printf("mutex init failed \n");

exit(1);

}

// 创建N个生产者线程

for(i = 0; i < N; i++)

{

ret[i] = pthread_create(&id1[i], NULL, product, (void *)(&i));

if(ret[i] != 0)

{

printf("product%d creation failed \n", i);

exit(1);

}

}

//创建N个消费者线程

for(i = 0; i < N; i++)

{

ret[i] = pthread_create(&id2[i], NULL, prochase, NULL);

if(ret[i] != 0)

{

printf("prochase%d creation failed \n", i);

exit(1);

}

}

//销毁线程

for(i = 0; i < N; i++)

{

pthread_join(id1[i],NULL);

pthread_join(id2[i],NULL);

}

exit(0);

}