操作系统实验三-生产者——消费者问题

操作系统实验三：生产者——消费者问题一、基本信息xxx711103xx2012年4月29日二、实验目的通过实验，掌握Windows和Linux环境下互斥锁和信号量的实现方法，加深对临界区问题和进程同步机制的理解，同时巩固利用WindowsAPI和PthreadAPI进行多线程编程的方法。三、实验内容1.在Windows操作系统上，利用Win32API提供的信号量机制，编写应用程序实现生产者——消费者问题。2.在Linux操作系统上，利用PthreadAPI提供的信号量机制，编写应用程序实现生产者——消费者问题。3.两种环境下，生产者和消费者均作为独立线程，并通过empty、full、mutex三个信号量实现对缓冲进行插入与删除。4.通过打印缓冲区中的内容至屏幕，来验证应用程序的正确性。四、实验步骤1.创建3个信号量：Mutex、Full、Empty2.主程序创建10个生产者线程和10个消费者线程，之后休眠一段时间3.生产者线程中，休息一段2s后，生产一个0~10的随机数放入缓冲区里。利用信号量Mutex产生对缓冲区使用的互斥功能，利用Empty和Full信号量来对缓冲区进行增加项4.消费者线程中，休息4s时间后，消费一个缓冲区的数据。利用信号量Mutex产生对缓冲区使用的互斥功能，利用Empty和Full信号量来对缓冲区进行增加项5.主程序执行一段时间后，结束整个程序五、主要数据结构及其说明产品数量最大值constintMAX_SIZE=10;缓冲区：intbuffer[BUFFER_SIZE];intfront;intrear;boolfull;三个互斥信号量：HANDLEMutex;HANDLEFull;HANDLEEmpty;有关操作：用WaitForSingleSignal函数可以获得一个Mutex的所有权，类似于P操作，而ReleaseMutex函数可以释放一个Mutex的所有权，类似于V操作。用EnterCriticalSection函数可以进入一个CriticalSection，类似于P操作，而LeaveCricalSection函数离开一个CricalSection，类似于V操作。（linux）六、程序运行时的初值和运行结果Windows：结果：Linux:Linux下与windows结果一致。两个不同环境下的程序运行效果是相同的。七、实验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。问题的实质是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。通过实验，我深入地了解PV操作的实质和其重要性。进一步学习了Windows和Linux环境下互斥锁和信号量的实现方法，加深了对临界区问题和进程同步机制的理解，同时巩固利用WindowsAPI和PthreadAPI进行多线程编程的方法。另外，linux和windows的API之间几乎是一一对应的关系，差别不大。八、源程序并附上注释Windows:Linux:Linux:main.cpp#includebuffer.h#includepthread.h#includesemaphore.h#includecstdlib#includeiostream#includefstreamusingnamespacestd;/*thebuffer*/buffer_itembuffer[BUFFER_SIZE];intfront;intrear;boolfull;/*thesemaphores*/pthread_mutex_tMutex;sem_tFull;sem_tEmpty;/*theoutputfile*/ofstreamfout;voidshowBuffer(){cout\nBuffer:;fout\nBuffer:;if(front!=rear||full){inti=front;do{coutbuffer[i]'';foutbuffer[i]'';i=(i+1)%BUFFER_SIZE;}while(i!=rear);}else{cout-;fout-;}cout\n\n;fout\n\n;}intinsert_item(buffer_itemitem){/*insertitemintobufferreturn0ifsuccessful,otherswisereturn-1indicatinganerrorcondition*/intcondition=-1;sem_wait(&Empty);pthread_mutex_lock(&Mutex);if(!full){buffer[rear]=item;rear=(rear+1)%BUFFER_SIZE;if(rear==front)full=true;condition=0;coutproducerproduceditemendl;foutproducerproduceditemendl;showBuffer();}pthread_mutex_unlock(&Mutex);sem_post(&Full);returncondition;}intremove_item(buffer_item*item){/*removeanobjectfrombufferplacingitinitemreturn0ifsuccessful,otherwisereturn-1indicatinganerrorcondition*/intcondition=-1;sem_wait(&Full);pthread_mutex_lock(&Mutex);if(front!=rear||full){*item=buffer[front];front=(front+1)%BUFFER_SIZE;full=false;condition=0;coutconsumerconsumed*itemendl;foutconsumerconsumed*itemendl;showBuffer();}pthread_mutex_unlock(&Mutex);sem_post(&Empty);returncondition;}void*producer(void*param);void*consumer(void*param);intmain(intargc,char*argv[]){/*Initializebuffer*/front=0;rear=0;full=false;/*Initializesemaphores*/pthread_mutex_init(&Mutex,NULL);sem_init(&Full,0,BUFFER_SIZE);sem_init(&Empty,0,BUFFER_SIZE);/*Initializeoutputfile*/fout.open(pcBuffer.txt);/*Createproducerthread*/pthread_attr_tattr;pthread_attr_init(&attr);pthread_tproducerThread,consumerThread;pthread_create(&producerThread,&attr,producer,NULL);/*Createconsumerthread*/pthread_create(&consumerThread,&attr,consumer,NULL);/*Sleep*/pthread_join(producerThread,NULL);//pthread_join(consumerThread,NULL);/*Exit*/return0;}threads.cpp#includebuffer.h#includecstdlib/*requiredforrand()*/#includeunistd.h/*requiredforsleep()*/#includeiostream#includectimeusingstd::cout;usingstd::endl;intinsert_item(buffer_itemitem);intremove_item(buffer_item*item);voidshowBuffer();void*producer(void*param){srand((unsigned)time(NULL));buffer_itemitem;while(true){/*sleepforarandomperiodoftime*/sleep(((float)(rand()%4000))/1000);/*generatearandomnumber*/item=rand()%100;if(insert_item(item))coutreporterrorconditioninproducerendl;}returnNULL;}void*consumer(void*param){srand((unsigned)time(NULL));buffer_itemitem;while(true){/*sleepforarandomperiodoftime*/sleep(((float)(rand()%8000))/1000);if(remove_item(&item)){coutreporterrorconditioninconsumerendl;}}returnNULL;}buffer.h#ifndefBUFFER_H_INCLUDED#defineBUFFER_H_INCLUDED/*buffer.h*/typedefintbuffer_item;#defineBUFFER_SIZE5#endif//BUFFER_H_INCLUDED