**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07（操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)）歐陽光明（2021.03.07）學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：班級(jí)：0311401、02、03、04班制二O一三年十二月、課程題目分析這個(gè)題目是生產(chǎn)者向消費(fèi)者提供商品，消費(fèi)者消耗商品，并且兩組人共用同一緩沖區(qū)。生產(chǎn)者提供了商品之后消費(fèi)者才能去取商品，消費(fèi)者若不取走商品則當(dāng)緩沖區(qū)用完之后生產(chǎn)者則不能再向緩沖區(qū)中添加新的商品。思考問題：（1）對(duì)于生產(chǎn)者進(jìn)程：每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，則需去訪問共用緩沖區(qū)是否有已滿，未滿則可以將該數(shù)據(jù)存入并通知消費(fèi)者進(jìn)程，否則不能。（2）對(duì)于消費(fèi)者進(jìn)程：每當(dāng)想去消費(fèi)（取出數(shù)據(jù)）時(shí)，則需訪問緩沖區(qū)是否為空，為空則不能消費(fèi)（取出數(shù)據(jù)），否則可以取，并通知生產(chǎn)者。（3）緩沖區(qū)是個(gè)臨界資源，所有的進(jìn)程對(duì)于該空間都是共享的，所以，還有互斥問題存在。二、課程設(shè)計(jì)目的通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間的關(guān)系，了解并掌握他們之間的關(guān)系及原理。由此增加對(duì)進(jìn)程同步問題的了解：（1）掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者與消費(fèi)者模型（2）了解windows中多線程（多進(jìn)程）的并發(fā)執(zhí)行機(jī)制，線程（進(jìn)程）間的同步于互斥（3）學(xué)習(xí)使用windows中基本的同步對(duì)象，掌握相應(yīng)的API。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容有n個(gè)生產(chǎn)者和m個(gè)消費(fèi)者，連接在具有k個(gè)單位緩沖區(qū)的有界環(huán)轉(zhuǎn)緩沖上，故又稱有界緩沖問題。其中Pi和Cj都是并發(fā)進(jìn)程，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者進(jìn)程Pi所生產(chǎn)的產(chǎn)品就可投入緩沖區(qū)；類似地，只要緩沖區(qū)非空，消費(fèi)者進(jìn)程Cj就可以從緩沖區(qū)取走并消耗產(chǎn)品。四、開發(fā)環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)編寫語言：C++語言**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07*歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07五、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)（一）算法原理生產(chǎn)者——消費(fèi)者問題是典型的進(jìn)程同步問題，這些進(jìn)程必須按照一定的生產(chǎn)率和消費(fèi)率來訪問共享緩沖區(qū)，用P、V操作解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者共享單緩沖區(qū)的問題，可設(shè)置兩個(gè)信號(hào)量empty和full,其初值分別為1和0，empty指示能否向緩沖區(qū)放入產(chǎn)品，full指示能否從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品。為了使其協(xié)調(diào)工作，必須使用一個(gè)信號(hào)量mutex（初值為1），以限制生產(chǎn)者和消費(fèi)者互斥地對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行存取，另用兩個(gè)信號(hào)量emptyl（初值為緩沖區(qū)大?。┖蚮ulll（初值為0），以保證生產(chǎn)者不向已滿的緩沖區(qū)中放入產(chǎn)品，消費(fèi)者不從空緩沖區(qū)中取產(chǎn)品。（二）功能描述生產(chǎn)者功能描述：在同一個(gè)進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行兩個(gè)線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個(gè)空緩沖區(qū)中供消費(fèi)者線程消費(fèi)。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時(shí)，如果沒有空緩沖區(qū)可用，那么生產(chǎn)者線程必須等待消費(fèi)者線程釋放出一個(gè)空緩沖區(qū)。消費(fèi)者功能描述：消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)，當(dāng)消費(fèi)者線程消費(fèi)物品時(shí)，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費(fèi)者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。（三）算法流程圖生產(chǎn)者流程圖： 消費(fèi)者流程圖：總的流程圖：（四）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及部分函數(shù)描述*歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07(1)類SeqSquare:對(duì)類SeqSquare的聲明及其中一些函數(shù)classSeqSquare{public:SeqSquare(intn);~SeqSquare();//p操作//p操作//v操作//判斷是否為空//判斷是否已滿voidV(intx);boolIsEmpty();boolIsFull();voiddeca();voiddecb();intgetSize();intgetmaxSize();intgettop();intgeta();intgetb();protected:private:int*elements;inttop,a,b,maxSize;};說明：①用動(dòng)態(tài)整型數(shù)組*elements來代表緩沖區(qū)，不管是生產(chǎn)*歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07產(chǎn)品還是對(duì)已有產(chǎn)品的消費(fèi)都需要訪問該緩沖區(qū)。②函數(shù)IsFull()用于判斷緩沖區(qū)是否已滿，生產(chǎn)者能否使用緩沖區(qū)。③函數(shù)IsEmpty()用于判斷緩沖區(qū)是否為空，消費(fèi)者能否使用緩沖區(qū)。(2)生產(chǎn)者和消費(fèi)者操作及顯示函數(shù)showbuf：voidproducer(SeqSquare*a) //生產(chǎn)者操作{a->P(1);}voidconsumer(SeqSquare*a) //消費(fèi)者操作{a->V(1);}//緩沖區(qū)顯示voidshowbuf(SeqSquare*a){inti=a->getSize();}(3)在實(shí)現(xiàn)本程序的生產(chǎn)者消費(fèi)者模型時(shí)，具體地通過以下同步對(duì)象實(shí)現(xiàn)互斥：①設(shè)一個(gè)互斥量Mutex，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者在查詢和保留緩沖區(qū)的下一個(gè)空位置時(shí)進(jìn)行互斥。②每一個(gè)生產(chǎn)者用一個(gè)信號(hào)量與消費(fèi)者同步，通過設(shè)置Full實(shí)現(xiàn)，該組信號(hào)量用于表示相應(yīng)產(chǎn)品以生產(chǎn)。同時(shí)用一個(gè)表示空緩沖區(qū)數(shù)目的信號(hào)量Empty進(jìn)行類似的同步，指示緩沖區(qū)中是否存在空位置，以便開始生產(chǎn)下一個(gè)產(chǎn)品。（四）調(diào)試過程為解決生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題，應(yīng)該設(shè)置兩個(gè)資源信號(hào)量，其中一個(gè)表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，用Full表示，其初值為用戶輸入的緩沖區(qū)的大小，另一個(gè)表示緩沖區(qū)中產(chǎn)品的數(shù)目，用Empty表示，其初值為0.另外，由于緩沖區(qū)是一個(gè)臨界資源，必須互斥使用，所以還需要再設(shè)置一個(gè)互斥信號(hào)量Mutex,其初值為1.在生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題中，信號(hào)量實(shí)現(xiàn)兩種功能。首先，他是生產(chǎn)產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的初值是可使用的資源數(shù)目（緩沖區(qū)的長度）。其次，他是確保產(chǎn)品的生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的動(dòng)作同步的同步器。生產(chǎn)者要生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，首先對(duì)資源信號(hào)量Full和互斥信號(hào)量Mutex進(jìn)行P操作，申請(qǐng)資源。如果可以通過的話，就生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，并把產(chǎn)品送人緩沖區(qū)。然后對(duì)互斥信號(hào)量Mutex和資源信號(hào)量Empty進(jìn)行V操作，釋放資源。消費(fèi)者要消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，首先對(duì)資源信號(hào)量Empty和互斥信號(hào)量Mutex進(jìn)行P操作，申請(qǐng)資源。如果可以通過的話就從緩沖區(qū)取出一個(gè)產(chǎn)品并消費(fèi)掉。然后對(duì)互斥信號(hào)量Mutex和資源信號(hào)量Full進(jìn)行V操作，釋放資源。如果緩沖區(qū)中已經(jīng)沒有可用資源，就把申請(qǐng)資源的進(jìn)程添加到等待隊(duì)列的隊(duì)尾。如果有一個(gè)資源被釋放，在等待隊(duì)列中的第一個(gè)進(jìn)程被喚醒并取得這個(gè)資源的使用權(quán)。**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07*歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07（五）參考資料《操作系統(tǒng)教程》孫鐘秀高等教育出版社《C++程序設(shè)計(jì)》譚浩強(qiáng)高等教育出版社六、運(yùn)行實(shí)例及結(jié)果分析（一）運(yùn)行實(shí)例緩沖區(qū)大小為3，先生產(chǎn)一件產(chǎn)品，顯示緩沖區(qū)，再接著生產(chǎn)一件產(chǎn)品，消耗一件產(chǎn)品，顯示緩沖區(qū)，在消耗兩件產(chǎn)品，再生產(chǎn)4件產(chǎn)品，改變緩沖區(qū)的大小為6，顯示緩沖區(qū)，選擇一個(gè)未出現(xiàn)的選項(xiàng)，退出程序。（二）結(jié)果顯示（三）結(jié)果分析（1）在每個(gè)程序中需要先做匕后做V,二者要成對(duì)出現(xiàn)，夾在二者中間的代碼段就是該進(jìn)程的臨界區(qū)。（2）對(duì)同步信號(hào)量full和empty的P,V操作同樣必須成對(duì)出現(xiàn)，但它們分別位于不同的程序中。（3）無論在生產(chǎn)者進(jìn)程中還是消費(fèi)者進(jìn)程中，兩個(gè)P操作的次序不能顛倒：應(yīng)先執(zhí)行同步信號(hào)量的P操作，然后執(zhí)行互斥信號(hào)量的P操作。否則可能造成進(jìn)程死鎖。七、個(gè)人體驗(yàn)雖然我也很想用java語言寫這個(gè)程序，但是由于自己學(xué)藝不精，所以只能用C++寫。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)我發(fā)現(xiàn)我以前有很多知識(shí)都忘記了，重新拿起課本學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)現(xiàn)原來很多不懂得問題都有了新的認(rèn)識(shí)，有一種豁然開朗的感覺。也為我考研開了一個(gè)好的開頭。我認(rèn)為我完成的這個(gè)設(shè)計(jì)做的比較出色的地方是對(duì)C++語言中類以及數(shù)組的運(yùn)用，其實(shí)這里我對(duì)數(shù)組的操作是按照“先進(jìn)先出”的方法進(jìn)行運(yùn)作的，這是參考了棧的工作原理，因?yàn)榫彌_區(qū)一般也2021.03.072021.03.07**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07*歐陽光明*創(chuàng)編是堆棧，比較符合設(shè)計(jì)要求。這次實(shí)驗(yàn)中我感覺做的很粗糙，自己所想的模擬過程的確得到實(shí)現(xiàn)了，但是感覺靈活性不太高，思考還不過全面，應(yīng)該以后多注意一下，多考慮考慮才是。在這次實(shí)驗(yàn)中我重新將《C++程序設(shè)計(jì)》和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的幾個(gè)重要章節(jié)復(fù)習(xí)了一遍，對(duì)類、數(shù)組、C++的I/O流類庫以及堆棧的語句格式、注意細(xì)節(jié)都再一次熟悉，感覺蠻有趣的。不過，在編程過程中許多語句的小問題還真是出現(xiàn)不少，而且感覺自己對(duì)C++強(qiáng)大豐富的語句方法用得太呆板，不夠靈活，總是想到那些常用的，而忽略了顆粒讓語句更簡短的方法，以后要多多注意才是。八、附錄//生產(chǎn)者消費(fèi)者l.cpp:Definestheentrypointfortheconsoleapplication.//#include"stdafx.h"#include"iostream"usingnamespacestd;classSeqSquare{public:SeqSquare(intn);~SeqSquare();voidP(intx); /加操作**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07}*}*歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07voidV(intx);/々操作boolIsEmpty();boolIsFull();boolIsEmpty();boolIsFull();voiddeca();voiddecb();intgetSize();intgetmaxSize();intgettop();intgeta();intgetb();protected:private:int*elements;inttop,a,b,maxSize;};boolSeqSquare::boolSeqSquare::IsEmpty()//判斷是否為空return(top==-1)?true:false;//判斷是否已滿boolSeqSquare::IsFull()return(top>=maxSize-1)?true:false//判斷是否已滿**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07voidSeqSquare::deca(){a--;}voidSeqSquare::decb(){b--;}intSeqSquare::getSize(){returntop+1;}intSeqSquare::getmaxSize(){returnmaxSize;}intSeqSquare::gettop(){returntop;}intSeqSquare::geta(){returna;**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07}*}*歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07intSeqSquare::getb(){returnb;}SeqSquare::SeqSquare(intn){top=-1;a=b=0;maxSize=n;elements=newint[maxSize];}voidSeqSquare::P(intx){if(IsFull()==true){a=a+1;}else{elements[++top]=x;}voidSeqSquare::V(intx){if(IsEmpty()==true){b=b+1;}elsex=elements[top--];}}//生產(chǎn)者操作//消費(fèi)者操作voidproducer(SeqSquare*//生產(chǎn)者操作//消費(fèi)者操作{a->P(1);}voidconsumer(SeqSquare*a){a->V(1);}SeqSquare::~SeqSquare(){deleteelements;**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07**歐陽光明*創(chuàng)編 2021.03.07//緩沖區(qū)顯示voidshowbuf(SeqSquare*a){inti=a->getSize();}intmain(){inti,n;cout<<"請(qǐng)輸入緩沖區(qū)大?。?<<endl;cin>>n;SeqSquare*s;s=newSeqSquare(n);while(i!=4){cout<<”請(qǐng)選擇操作： "<<endl;8比<<"1.生產(chǎn)一件產(chǎn)品;2消費(fèi)一件產(chǎn)品上vendl;cout<<"3.顯示緩沖區(qū)；4.退出系統(tǒng)。"<<endl;cout<<"5.需要改變緩沖區(qū)大小！ "<<endl;cin>>i;switch(i){producer(s);if(s->geta()==0){cout<<endl<<"成功生產(chǎn)一件商品！"<<endl<<endl;}else{cout<<endl<<"沒有空間供生產(chǎn)者生產(chǎn)！"<<endl<<endl;s->deca();}break;consumer(s);if(s->getb()==0){cout<<endl<<"成功消費(fèi)一件商品！"<<endl<<endl;}else{cout<<endl<<"沒有產(chǎn)品供消費(fèi)者消費(fèi)！"<<endl<<endl;}break;showbuf(s);cout<<endl<<"緩