生产者与消费者问题
形象启发分层解剖
——PV操作教学引导实践
【摘要】PV操作及利用PV原语实现进程间的同步互斥是计算机操作系统中一个非常重要的学习内容。本文详细介绍了形象启发，分层解剖的教学方法在教学中的应用，希望以此引出更优的教学方法。
【关键词】PV操作、形象启发、分层解剖、生产消费者问题、多媒体课件
PV操作及同步互斥的实现是操作系统这门课中最抽象,也是学生难以理解的知识内容之一，其中生产消费者问题又是PV操作中最为经典的案例，学生要深刻理解这个知识点并不容易。为了取得较好的教学效果，帮助学生深刻理解这个知识点，本人制作了多媒体课件《PV操作及实现同步互斥》，把抽象的内容具体化，由浅到深，化解难点，通过形象启发，分层解剖的科学教学方法，提高了学生学习积极性，在教学实践中取得非常显著的效果。
一、明确定义
要理解生产消费者问题，首先应弄清PV操作的含义：PV操作是由P操
作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：
P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
这只是书本的定义，对于这部分内容，老师先不要急于解释上面的程序流程，而是应该让学生首先知道P操作与V操作到底有什么作用。
P操作相当于申请资源，而V操作相当于释放资源。所以要学生记住以下几个关键字：
P操作-----→申请资源
V操作----→释放资源
二、形象启发
为此举两个生活中的例子：
例一：在公共电话厅打电话
公共电话厅里有多个电话，如某人要打电话，首先要进行申请，看是否有电话空闲，若有，则可以使用电话，如果电话亭里所有电话都有人正在使用，那后来的人只有排队等候。当某人用完电话后，则有空电话腾出，正在排队的第一个人就可以使用电话。这就相当于PV操作：某人要打电话，首先要进行申请，相当于执行一次P操作，申请一个
可用资源（电话）；
某人用完电话，则有空电话腾出，相当于执行一次V操作，释放一个可用资源（电话）。
在多媒体课件中，这部分内容充分通过动画效果，演示整个申请电话资源（P操作）与释放电话资源（V操作）的过程，同时显示当前可用的资源个数（电话个数）。课件直观生动，一目了然，学生非常容易接受，并且理解深刻。
例二：上厕所
不知为什么，只要我讲到这个例子，学生总是情不自禁地笑起来，课堂气氛活跃起来。这反而更好，学生兴趣提起来，自然就认真听。某人要上卫生间，首先要看是否有空位；若某人使用完毕后；则释放一个空卫生间可使用。若要使用的人数多于卫生间的个数，那只好排队等待。这也相当于PV操作：
某人要使用卫生间，首先要进行申请，相当于执行一次P操作，申请一个可用资源（卫生间）；
某人用完卫生间，则有卫生间腾出，相当于执行一次V操作，释放一个可用资源（卫生间）。
通过这两个生活的例子，学生很快就掌握了PV操作的主要含义，现在再具体讲解PV操作的每一个步骤，自然就水到渠成了。
三、分层解剖
在理解了PV操作的的含义后，就必须同学生讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况：互斥和同步。根据互斥和同步不同的特点，就有利用
消费者进程 while(TRUE){
P(full); 从Buffer 取出一个产品; V(empty); PV 操作实现互斥与同步相对固定的结构模式。这里就不详细讲解了。但生产者-消费者问题是一个有代表性的进程同步问题，要学生透彻理解并不容易。但是如果我们将问题细分成三种情况进行讲解，理解难度将大大降低。 （1） 一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
可以作以下比喻：将一个生产者比喻为一个生产厂家，如伊利牛奶厂家，而一个消费者，比喻是学生小明，而一个缓冲区则比喻成一间好又多。第一种情况，可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶，把它放在好又多一分店进行销售，而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后，小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单
解题如下：
定义两个同步信号量：
empty ——表示缓冲区是否为空，初值为1。 full ——表示缓冲区中是否为满，初值为0。 生产者进程 while(TRUE){
生产一个产品; P(empty); 产品送往Buffer; V(full);
}
（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶，并将它们放在多个好又多分店进行销售，而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样，只有当厂家把牛奶放在某一分店里，小明才可以从这间分店中买到牛奶。不同于第一种情况的是，第二种情况有N个分店（即N个缓冲区形成一个环形缓冲区），所以要利用指针，要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。
解题如下：
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
设缓冲区的编号为1～n 1，定义两个指针in和out，分别是生产者进
程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
消费者进程 while(TRUE){
P(full);
从buffer （out ）中取出产品；
out=(out+1)mod n ； V(empty); 消费该产品; }
生产者进程 while(TRUE){ 生产一个产品; P(empty);
产品送往buffer （in ）； in=(in+1)mod n ； V(full); }
（3） 一组生产者，一组消费者，公用n 个环形缓冲区
第三种情况，可以理解成有多间牛奶生产厂家，如蒙牛，达能，光明等，消费者也不只小明一人，有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售，而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时，下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中，生产者与消费者存在同步关系，而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。图解如下：
消费者进程 while(TRUE){
P(full); P(mutex2)； 从buffer （out ）中取出产品；
out=(out+1)mod n ； V （mutex2）； V(empty); 消费该产品; }
解题如下： 定义四个信号量：
empty ——表示缓冲区是否为空，初值为n 。 full ——表示缓冲区中是否为满，初值为0。 mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。 mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。
设缓冲区的编号为1～n 1，定义两个指针in 和out ，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。 生产者进程 while(TRUE){ 生产一个产品; P(empty); P(mutex1)；
产品送往buffer （in ）； in=(in+1)mod n ； V(mutex1); V(full); }
四．结束语
将一个复杂的问题解剖成三个问题讲解,由浅到深,层层深入,逐步扩展，并联系生活中的例子，这样一来，学生很快就掌握了这部分的内容。在多媒体课件中，这部分内容全部通过动画程序进行演示，学生还可以亲自动手进行操作，观察整个动画的运行过程。另外，利用PV操作实现进程的同步互斥，对程序中的语句执行顺序要求非常高，所以在课件中配有相关的练习，并通过交互的操作方式，让学生在练习中加深理解，提高了学习效率，教学效果也非常显著。
参考文献：
1. 《操作系统教程》，曾平郑鹏金晶，清华大学出版社
2. 《尝试教学论》，邱学毕，教育科学出版社
3. 《操作系统》，中央人民广播电视大学出版社
生产者与消费者问题(Java)
package Table; public class Message { public static int id; public String content; public String getContent() { return content; } public void setContent(String content) { this.content = content; } public int getId() { return id; } public void setId(int id) { Message.id = id; } } package Table; import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Queue { List
操作系统课程设计用多进程同步方法解决生产者消费者问题
操作系统课程设计 用多进程同步方法解决生产者-消费者问题 系别：计科系 专业: 计算机科学与技术 班级：04 级 4 班 学号：0410******* 姓名：苏德洪 时间：2006-7-7—2006-7-14
目录 一、题目： (3) 二、设计目的： (3) 三、总体设计思想概述： (3) 四、说明： (3) 五、设计要求： (3) 六、设计方案： (3) 七、流程图： (5) 八、运行结果 (7) 九、源程序 (11) 十、总结 (18) 十一、参考文献 (20)
一、题目： 用多进程同步方法解决生产者-消费者问题。 二、设计目的： 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。 三、总体设计思想概述： 1、生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。 2、计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一 资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。 3、而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。 四、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。 五、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有共享对缓冲区进行操作的函数代码。 六、设计方案： 通过一个有界缓冲区(用数组来实现，类似循环队列)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去走产品并消费它。 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，这一机制有生产者线程和消费者线程之间的互斥关系来实现。 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，所以还需要再设置一个互斥信号量g_hMutex，起初值为1。
生产者消费者问题模拟实现z
生产者消费者问题模拟实现(z)
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生产者-消费者实验 1.1实验目的和要求 1.1.1实验目的 操作系统的基本控制和管理控制都围绕着进程展开，其中的复杂性是由于支持并发和并发机制而引起的。自从操作系统中引入并发程序设计后,程序的执行不再是顺序的，一个程序未执行完而另一个程序便已开始执行，程序外部的顺序特性消失,程序与计算不再一一对应。并发进程可能是无关的,也可能是交互的。然而，交互的进程共享某些变量，一个进程的执行可能会影响其他进程的执行结果,交互的并发进程之间具有制约关系、同步关系。其中典型模型便是生产者－消费者模型。 本实验通过编写和调试生产者－消费者模拟程序，进一步认识进程并发执行的实质，加深对进程竞争关系，协作关系的理解,掌握使用信号量机制与Ｐ、V操作来实现进程的同步与互斥。 1.1.2实验要求 1．用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行，并采用信号量机制与P、Ｖ操作实现进程间同步与互斥。 2.撰写实验报告,报告应包含以下内容: （1）实验目的； （2）实验内容； （3）设计思路； （4）程序流程图; （5）程序中主要数据结构和函数说明； （6）带注释的源程序代码; （7）程序运行结果及分析； （8）实验收获与体会。 1.2预备知识 1.2.1生产者—消费者问题 生产者—消费者问题表述如下：如图3．1所示，有n个生产者和m个消费者,连接在具
有ｋ个单位缓冲区的有界环状缓冲上,故又称有界缓冲问题。生产者不断生成产品,只要缓冲区未满,生产者进程pｉ所生产的产品就可投入缓冲区;类似的，只要缓冲区非空，消费者进程ｃj就可以从缓冲区取走并消耗产品。 图 3.1生产者—消费者问题示意图 著名的生产者—消费者问题(produｃeｒ－ｃonsumer ｐrｏbleｍ）是计算机操作系统中并发进程内在关系的一种抽象,是典型的进程同步问题。在操作系统中，生产者进程可以是计算进程、发送进程,而消费者进程可以是打印进程、接收进程等,解决好生产者—消费者问题就解决了一类并发进程的同步问题。 操作系统实现进程同步的机制称为同步机制,它通常由同步原语组成。不同的同步机制采用不同的同步方法,迄今已设计出多种同步机制，本实验采用最常用的同步机制：信号量及PV操作。 1.2.2信号量与PV操作 1９65年，荷兰计算机科学家E.W.Dijkstrａ提出新的同步工具——信号量和ＰV操作，他将交通管制中多种颜色的信号灯管理方法引入操作系统,让多个进程通过特殊变量展开交互。一个进程在某一关键点上被迫停止直至接收到对应的特殊变量值，通过这一措施任何复杂的进程交互要求均可得到满足,这种特殊变量就是信号量(semaphoｒe)。为了通过信号量传送信号,进程可利用P和Ｖ两个特殊操作来发送和接收信号,如果协作进程的相应信号仍未到达，则进程被挂起直至信号到达为止。 在操作系统中用信号量表示物理资源的实体,它是一个与队列有关的整型变量。具体实现时，信号量是一种变量类型,用一个记录型数据结构表示,有两个分量：一个是信号量的值，另一个是信号量队列的指针。信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。除了赋初值之外,信号量仅能由同步原语PV对其操作，不存在其他方法可以检查或操作信号量，PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。利用信号量和ＰＶ操作即可解决并发进程竞争问题，又可解决并发进程协作问题。 信号量按其用途可分为两种:公用信号量,联系一组并发进程,相关进程均可在此信号量上执行PV操作，用于实现进程互斥;私有信号量，联系一组并发进程，仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作，而其他相关进程可在其上执行Ｖ操作,初值往往为0或正整数，多用于并发进程同步。
生产者消费者问题设计与实现
操作系统课程设计任务书
目录
1.选题背景 生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一，它描述是有一块缓冲区作为仓库，生产者可以将产品放入仓库，消费者则可以从仓库中取走产品。解决生产者/消费者问题的方法可分为两类：（1）采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；（2）在生产者和消费者之间建立一个管道。第一种方式有较高的效率，并且易于实现，代码的可控制性较好，属于常用的模式。第二种管道缓冲区不易控制，被传输数据对象不易于封装等，实用性不强。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。 同步问题核心在于：如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制，保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化，提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共有四种方法支持同步，其中前三个是同步方法，一个是管道方法。 2．设计思路 .生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。 计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。 而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者 3.过程论述 首先，生产者和消费者可能同时进入缓冲区，甚至可能同时读/写一个存储单元，将导致执行结果不确定。这显然是不允许的。所以，必须使生产者和消费者互斥进入缓冲区。即某时刻只允许一个实体（生产者或消费者）访问缓冲区，生产者互斥消费者和其他任何生产者。 其次，生产者不能向满的缓冲区写数据，消费者也不能在空缓冲区中取数据，即生产者与消费者必须同步。当生产者产生出数据，需要将其存入缓冲区之前，首先检查缓冲区中是否有“空”存储单元，若缓冲区存储单元全部用完，则生产者必须阻塞等待，直到消费者取走一个存储单元的数据，唤醒它。若缓冲区内有“空”存储单元，生产者需要判断此时是否有别的生产者或消费者正在使用缓冲区，若是有，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，将数据存入缓冲区，释放缓冲区的使用权。消费者取数据之前，首先检查缓冲区中是否存在装有数据的存储单元，若缓冲区为“空”，则阻塞等待，否则，判断缓冲区是否正在被使用，
生产者与消费者
重庆交通大学 《计算机操作系统》课程设计报告 班级：计软专业 2013 级 2 班 姓名： 学号： 课程设计题目：生产者/消费者与FCFS 所属课程：计算机操作系统 实验室(中心)：语音大楼801 指导教师：刘洋 完成时间： 2015 年 12 月 5 日 信息科学与工程学院课程设计成绩单
课程名称：计算机操作系统指导教师：刘洋
重庆交通学院信息科学与工程学院课程设计任务书
生产者/消费者与FCFS 一、内容提要 操作系统是计算机的核心软件，是计算机专业学生的专业必修课。进程同步问题是计算机操作系统中的重点内容，而生产者-消费者问题是进程同步问题中的经典，它是计算机中相互合作进程关系的一种抽象，该问题具有很大的代表性和使用价值。 在计算机系统中，很多问题都可以归结为生产者与消费者问题，提别是在通讯和控制系统中。因此，对该类问题的研究是非常必要的。一般而言，我们把提供给某种资源的进程（线程）称之为生产者，二吧消耗资源的进程（线程）称之为消费者。在大多数情况下，生产者和消费者的数目都是多于一个的。下面以多个进程（线程）共享一有界缓冲池为例来说明。 如图，左端箭头表示生产者，右端箭头表示消费者，设P 1、P 2 、…、P K 是k 个想缓冲池装入数据的进程（线程）（生产者）C 1、C 2 、…、C m 是m个冲缓冲池 中取出数据进行处理的进程（线程）（消费者），假设对任何P i 每次向缓冲区 中申请一空白缓冲区，并把数据装入其中；而对于常见的情况是任何C i 每次都从缓冲池中取出一满缓冲区的内容，并进行相应的处理，并把缓冲区清空。而每次生产者装入数据和消费者取出数据都是相同的（这是最常见的情况）。针对以上进程（线程）通信，如不对生产者进程（线程）和消费者（线程）的操作进行限制，则可能破坏数据的完整性。一种情况是一个生产者进程（线程）正在装入数据到缓冲区时，另外的生产者进程（线程）可能同时把数据写入相同区域，造成数据破坏，另一种情况是一个生产者进程（线程）正在装入数据到缓冲区时，另外的消费者进程（线程）可能读入该区域数据，由于数据未写完，从而造成消
实验1：生产者消费者问题
福建农林大学金山学院实验报告 系（教研室）：专业：计算机科学与技术年级： 实验课程：生产者与消费者实验姓名：学号： 实验室号：1#608 计算机号：实验时间：指导教师签字：成绩： 实验1：生产者消费者问题 一、实验目的 生产者消费者问题是操作系统中经典的同步和互斥问题。通过实验，要求学生掌握两者之间的同步信号量和互斥信号量的使用，更深刻了解临界资源、同步和互斥的概念。 二、实验要求 1.一组生产者通过一个具有N个缓冲区的缓冲池循环不断地向一组消费者提供产 品。 2.建一个队列, 队列的长度由n记录, 定义两个指针, 分别指向队列的头和尾消 费者从头指针读取数据,每读取一个数据把n--，生产者把数据写入尾指针, 每写入一个数据就n++，当n=N的时候生产者暂停写入数据。 3.注意：缓冲池队列，用互斥锁保护。 三、实验内容和原理 1.分别画出生产者和消费者的流程图
2.针对生产者和消费者问题，可以分为哪几种情况，使用了哪些原语？分别代表 什么意思？过程如何？阐述哪些进程之间存在同步，哪些进程之间存在互斥。 3.缓冲区是否为临界资源？是否可以循环使用？通过什么来实现？举例说明（可 画图） 四、实验环境 1. 硬件：PC机； 2. 软件：Windows操作系统、。 五、算法描述及实验步骤 #include <> #include
unsigned short in = 0; unsigned short out = 0; int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; bool g_continue = true; HANDLE g_hMutex; HANDLE g_hFullSemaphore; HANDLE g_hEmptySemaphore; DWORD WINAPI Producer(LPVOID); DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); int main() { 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); const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreads[PRODUCERS_COUNT]; DWORD producerID[CONSUMERS_COUNT]; DWORD consumerID[THREADS_COUNT]; for (int i=0;i 《操作系统》实验报告 生产者和消费者的问题 一、实验目的 1.掌握基本的同步与互斥的算法，理解基本的生产者与消费者的模型。 2.学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关的API的使用方法。 3.了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。 二、实验的内容及其要求 1.实验内容 以生产者/消费者模型为根据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在改进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程（线程）的同步与互斥。 2．实验要求 ①学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则 ②学习了解Windows同步对象及其特性 ③熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法 ④设计程序，实现生产者/消费者进程（线程）的同步与互斥 ⑤提交实验报告 三、实验的时间安排 1．实验前，先到图书馆或上网百度了解有关生产者/消费者模型的相关知识，建立生产者/消费者模型的基本概念。 2．利用13周、15周、17周的上机时间编写和调试程序代码。 3．利用其他课余时间来分析实验的最终结果并完成相关的实验报告。 四、实验的环境 1.硬件条件：普通计算机一台 2.软件条件：①操作系统：Windows 2000/XP ②开发语言：VC++ 本实验是在Windows 2000+VC6.0环境下实现的，利用Windows SDK提供的系统接口（API）完成程序的功能。实验在Windows下安装VC后进行，因为VC是一个集成开发环境，其中包含了Windows SDK所有工具和定义，所以安装了VC后就不用特意安装SDK了。实验中所用的API（应用程序接口），是操作系统提供的用来进行应用程序设计的系统功能接口。要使用这些API，需要包含对这些函数进行说明的SDK 头文件，最常见的就是windows.h。一些特殊的API调用还需要包含其他的头文件。 五、正文 1．程序结构图： 生产者-消费者实验 1.1实验目的和要求 1.1.1实验目的 操作系统的基本控制和管理控制都围绕着进程展开，其中的复杂性是由于支持并发和并发机制而引起的。自从操作系统中引入并发程序设计后，程序的执行不再是顺序的，一个程序未执行完而另一个程序便已开始执行，程序外部的顺序特性消失，程序与计算不再一一对应。并发进程可能是无关的，也可能是交互的。然而，交互的进程共享某些变量，一个进程的执行可能会影响其他进程的执行结果，交互的并发进程之间具有制约关系、同步关系。其中典型模型便是生产者-消费者模型。 本实验通过编写和调试生产者-消费者模拟程序，进一步认识进程并发执行的实质，加深对进程竞争关系，协作关系的理解，掌握使用信号量机制与P、V操作来实现进程的同步与互斥。 1.1.2实验要求 1．用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行，并采用信号量机制与P、V操作实现进程间同步与互斥。 2．撰写实验报告，报告应包含以下内容： （1）实验目的； （2）实验内容； （3）设计思路； （4）程序流程图； （5）程序中主要数据结构和函数说明； （6）带注释的源程序代码； （7）程序运行结果及分析； （8）实验收获与体会。 1.2预备知识 1.2.1生产者—消费者问题 生产者—消费者问题表述如下：如图3.1所示，有n个生产者和m个消费者，连接在具 有k个单位缓冲区的有界环状缓冲上，故又称有界缓冲问题。生产者不断生成产品，只要缓冲区未满，生产者进程pi所生产的产品就可投入缓冲区；类似的，只要缓冲区非空，消费者进程cj就可以从缓冲区取走并消耗产品。 图 3.1 生产者—消费者问题示意图 著名的生产者—消费者问题（producer-consumer problem）是计算机操作系统中并发进程内在关系的一种抽象，是典型的进程同步问题。在操作系统中，生产者进程可以是计算进程、发送进程，而消费者进程可以是打印进程、接收进程等，解决好生产者—消费者问题就解决了一类并发进程的同步问题。 操作系统实现进程同步的机制称为同步机制，它通常由同步原语组成。不同的同步机制采用不同的同步方法，迄今已设计出多种同步机制，本实验采用最常用的同步机制：信号量及PV操作。 1.2.2信号量与PV操作 1965年，荷兰计算机科学家E.W.Dijkstra提出新的同步工具——信号量和PV操作，他将交通管制中多种颜色的信号灯管理方法引入操作系统，让多个进程通过特殊变量展开交互。一个进程在某一关键点上被迫停止直至接收到对应的特殊变量值，通过这一措施任何复杂的进程交互要求均可得到满足，这种特殊变量就是信号量（semaphore）。为了通过信号量传送信号，进程可利用P和V两个特殊操作来发送和接收信号，如果协作进程的相应信号仍未到达，则进程被挂起直至信号到达为止。 在操作系统中用信号量表示物理资源的实体，它是一个与队列有关的整型变量。具体实现时，信号量是一种变量类型，用一个记录型数据结构表示，有两个分量：一个是信号量的值，另一个是信号量队列的指针。信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。除了赋初值之外，信号量仅能由同步原语PV对其操作，不存在其他方法可以检查或操作信号量，PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。利用信号量和PV操作即可解决并发进程竞争问题，又可解决并发进程协作问题。 信号量按其用途可分为两种：公用信号量，联系一组并发进程，相关进程均可在此信号量上执行PV操作，用于实现进程互斥；私有信号量，联系一组并发进程，仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作，而其他相关进程可在其上执行V操作，初值往往为0或正整数，多用于并发进程同步。 操作系统课程设计 一．实验目标 完成N个生产者和M个消费者线程之间的并发控制，N、M不低于30，数据发送和接收缓冲区尺寸不小于20个（每个产品占据一个）。 其中生产者线程1、3、5、7、9生产的产品供所有奇数编号的消费者线程消费，只有所有奇数编号的消费者线程都消费后，该产品才能从缓冲区中撤销。 其中生产者线程2、4、6、8、10生产的产品所有偶数编号的消费者线程都可消费，任一偶数编号消费者线程消费该消息后，该产品都可从缓冲区中撤销。 其中11-20号生产者线程生产的产品仅供对应编号的消费者线程消费。 其他编号生产者线程生产的产品可由任意的消费者线程消费。 每个生产线程生产30个消息后结束运行。如果一个消费者线程没有对应的生产者线程在运行后，也结束运行。所有生产者都停止生产后，如果消费者线程已经 没有可供消费的产品，则也退出运行。 二．实验原理 2.1原理 生产者与消费者线程采用posix互斥锁机制进行互斥进入各自的代码段，只有采用互斥锁临界区代码段才可以不被打扰的执行；同步机制采用的是posix条件变量pthread_cond_wait和pthraed_cond_signal进行同步的。 线程间的通信采用的是共享内存机制。（注：所有的共享内存块是在进程里建立的，线程只需链接上各自的共享内存块即可，每一块共享内存的大小是100）. 在这里共享内存设置成一个100的数组。 具体实施：（1）为1.3.5.7.9建立一个共享内存1号，1.3.5.7.9生产者线程生产的产品都放入这块共享内存缓冲区，所有奇数的消费者线程要消费的话，只需在消费者线程中链接上这块共享内存，就可以直接消费1.3.5.7.9生产者线程生产的产品。 （2）为2.4.6.8.10建立一块共享内存2号。2.4.6.8.10生产的产品都放入2号共享内存缓冲区，所有的偶数的消费者线程只要链接上2号缓冲区，就可以消费2.4.6.8.10生产的产品。当偶数消费者线程消费产品后，产品即可从缓冲区撤销，方法是在消费线程里将消费的产品在共享内存数组里置0。 （3）为11--20的每一对生产者消费者线程建立一块共享内存，编号11--20. 11--20号的消费者线程能链接各自的共享内存缓冲区或奇数或偶数共享内存缓冲区，即11--20号的生产者生产的产品只能被对应的消费者消费而11-20的奇数消费者可以消费缓冲区1的产品，偶数消费者可消费缓冲区2的产品。 （4）为21--30号的生产者消费者线程只建立一块共享内存21号，21--30号生产者生产的产品都放入21号缓冲区，所有的消费者线程只要链接上21号共享内存，就可以消费21--30号生产者生产的产品。 用于控制线程是否结束的方法是：设置一个全局变量t，在生产者线程里进行t++，在生产者线程里当t达到10时（注：为了很好的测试程序，本应该在生产者生产30个产品时菜结束线程，这里设置成了10），就break跳出while（）循环，这样线程自然就终止。同样在消费者线程里，当t达到10时，这里不用t++，就跳出while（）循环，消费者线程自然就终止。这样设计满足了，当生产者生产30个产品时就终止生产者线程，生产者线程终止消费者线程也得终止的要求。 生产者从文件so.txt读取数据进行生产，这个文件里的数据是一连串的字符从a--z的组合，没有空格或其他字符。文件内容的格式没有特殊要求。 实验报告五 ——生产者和消费者问题 姓名：丛菲学号：20100830205 班级：信息安全二班一、实习内容 ?1、模拟操作系统中进程同步和互斥 ?2、实现生产者和消费者问题的算法实现 二、实习目的 ?1、熟悉临界资源、信号量及PV操作的定义与物理意义 ?2、了解进程通信的方法 ?3、掌握进程互斥与进程同步的相关知识 ?4、掌握用信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题 ?5、实现生产者－消费者问题，深刻理解进程同步问题 三、实习题目 ?在Linux操作系统下用C实现经典同步问题：生产者—消费者，具体要求如下： (1)一个大小为10的缓冲区，初始状态为空。 (2)2个生产者，随机等待一段时间，往缓冲区中添加数据，若缓冲区已满，等待消 费者取走数据之后再添加，重复10次。 (3)2个消费者，随机等待一段时间，从缓冲区中读取数据，若缓冲区为空，等待生 产者添加数据之后再读取，重复10次。 ?提示 本实验的主要目的是模拟操作系统中进程同步和互斥。在系统进程并发执行异步推进的过程中，由于资源共享和进程间合作而造成进程间相互制约。进程间的相互制约有两种不同的方式。 （1）间接制约。这是由于多个进程共享同一资源（如CPU、共享输入/输出设备）而引起的，即共享资源的多个进程因系统协调使用资源而相互制约。 （2）直接制约。只是由于进程合作中各个进程为完成同一任务而造成的，即并发进程各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各个进程的执行速度。 生产者和消费者是经典的进程同步问题，在这个问题中，生产者不断的向缓冲区中写入数据，而消费者则从缓冲区中读取数据。生产者进程和消费者对缓冲区的操作是互斥，即当前只能有一个进程对这个缓冲区进行操作，生产者进入操作缓冲区之前，先要看缓冲区是否已满，如果缓冲区已满，则它必须等待消费者进程将数据取出才能写入数据，同样的，消费者进程从缓冲区读取数据之前，也要判断缓冲 实验报告 四、实验原理： 利用进程间共享的信号量、互斥锁等控制线程的同步。 相关函数说明： 五实验内容： 1、有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程去消费。为使生产者进程与消费者进程能并发执行，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池：生产者进程从文件中读取一个数据，并将它存放到一个缓冲区中；消费者进程从一个缓冲区中取走数据，并输出此数据。生产者和消费者之间必须保持同步原则：不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品；也不允许生产者进程向一个已装满产品且尚未被取走的缓冲区中投放产品。 2、创建3进程（或者线程）作为生产者，4个进程（或者线程）作为消费者。创建一个文件作为数据源，文件中事先写入一些内容作为数据。 3、生产者和消费者进程（或者线程）都具有相同的优先级。 六实验器材（设备、元器件） （1）学生每人一台PC，安装WindowsXP/2000操作系统。 （2）局域网络环境。 （3）个人PC安装VMware虚拟机和Ubuntu系统。 七实验步骤 （1）实现哲学家就餐问题 （2）算法思想 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）程序代码（重要代码请注释） #include 计算机与信息学院 《操作系统与编译原理联合课程设计报告》 专题：操作系统部分 学生姓名： 学号： 专业班级： 指导教师： 2014 年 7 月 一、设计目标 多进程/线程编程：生产者-消费者问题。设置两类进程/线程，一类为生产者，一类为消费者；建立缓冲区的数据结构；随机启动生产者或消费者；显示缓冲区状况；随着进程/线程每次操作缓冲区，更新显示。 二、设计思路 1.开发平台：Visual C++6.0 2.设计思路： 若干个生产者和若干个消费者共享一个有界缓冲区，生产者生产产品，消费者消费产品。消费者进程与生产者进程随机切换。生产者将产品生产出来后，存放到缓冲区中的空闲位置并将此缓冲区的标识置为满，若此时无空缓冲区，则进行等待。消费者将标识为满的缓冲区中的产品取出，进行消费并将该缓冲区的标志位置为空，若此时无满的缓冲区，则进行等待。 由于消费者与生产者共享缓冲区资源，且缓冲区资源属于互斥资源，所以生产者和消费者需要按照一定的规则访问缓冲区，访问规则如下： （1）当一个消费者访问缓冲区时其他消费者不允许访问缓冲区，同样的，当一个生产者访问缓冲区时其他生产者也不能访问缓冲区。 （2）当消费者访问缓冲区资源时生产者不能访问，反之，当生产者访问缓冲区资源时消费者不能访问。 （3）当缓冲区中无产品时，消费者不能访问；当缓冲区已满时，生产者不能访问缓冲区。 生产者与消费者问题伪代码如下： VAR mutex, empty, full: semaphore := 1, n, 0 ; in,out: integer := 0, 0 ; Buffer: array [0..n-1] of item ; Parbegin Producer: begin repeat produce an item in nextp; wait(empty); wait(mutex); Buffer(in) := nextp; in := (in + 1) mod n; signal(mutex); signal(full); until false end Consumer: begin repeat 操作系统实验报告 专业网络工程班级08102 学号姓名 课程名称操作系统学年2010－2011 学期下 课程类别专业必修■限选□任选□实践□实验时间2010年11月3日 实验名称 实验一：生产者与消费者问题 实验目的和要求 全面理解生产者与消费者问题模型，掌握解决该问题的算法思想，正确使用同步机制。 实验软硬件要求 Pentium ||| 450以上CPU 64MB以上内存 WINDOWS XP Visual C++6.0 实验内容、方法和步骤（可附页） 问题描述：一组生产者向一组消费者提供商品，共享一个有界缓冲池，生产者向其中放入商品，消费者从中取得商品。假定这些生产者和消费者互相等效，只要缓冲池未满，生产者可将商品送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者可从缓冲池取走一商品。 功能要求：根据进程同步机制，编写一个解决上述问题的程序，可显示缓冲池状态、放商品、取商品等过程。 具体参数：3个生产者进程，2个消费者进程； 缓冲区单元个数N=4； 在本程序中是缓冲区中的数从0变为1表示模拟生产一个产品，消费时则将对应缓冲区内的1变为0，为模拟消费一个产品。 实验结果（可附页） 见截图 小结 这次多线程的操作系统实验，使我对线程的概念以及多线程程序中线程间的运行有了更深的认识，同时也让我的编程能力得到了一定的提高。 这次做的用多线程实现生产者与消费者模型的实验，由于我的编程能力基础比较差，对线程也是一无所知，所以一开始觉得无从下手，但幸好老师给了充足的时间，我通过看网上找的视频资料以及请教同学才渐渐地有了一点概念，然后我试着从网上下了一些多线程的程序分析里面的语句，基本弄懂了多线程的原理。 评定成绩：批阅教师：年月日 1实验1：生产者消费者问 题 -标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 福建农林大学金山学院实验报告 系（教研室）：专业：计算机科学与技术年级： 实验课程：生产者与消费者实验姓名：学号： 实验室号：1#608 计算机号：实验时间：指导教师签字：成绩： 实验1：生产者消费者问题 一、实验目的 生产者消费者问题是操作系统中经典的同步和互斥问题。通过实验，要求学生掌握两者之间的同步信号量和互斥信号量的使用，更深刻了解临界资源、同步和互斥的概念。 二、实验要求 1.一组生产者通过一个具有N个缓冲区的缓冲池循环不断地向一组消费者提供 产品。 2.建一个队列, 队列的长度由n记录, 定义两个指针, 分别指向队列的头和尾消费 者从头指针读取数据,每读取一个数据把n--，生产者把数据写入尾指针, 每写 入一个数据就n++，当n=N的时候生产者暂停写入数据。 3.注意：缓冲池队列，用互斥锁保护。 三、实验内容和原理 1.分别画出生产者和消费者的流程图 2.针对生产者和消费者问题，可以分为哪几种情况，使用了哪些原语分别代表什 么意思过程如何阐述哪些进程之间存在同步，哪些进程之间存在互斥。 3.缓冲区是否为临界资源是否可以循环使用通过什么来实现举例说明（可画图） 四、实验环境 1. 硬件：PC机； 2. 软件：Windows操作系统、。 五、算法描述及实验步骤 #include <> #include 操作系统课程设计任务书 学院计算机与信息工程专业计算机科学与技术课程名称操作系统题目生产者消费者问题设计 与实现 完成期限自2015年6月23日至2015年6月29日共1周 内容及任务一、项目的目的 1.理生产者消费者问题基本概念和工作原理，以及实现技术； 2.理解并掌握生产者消费者问题相关算法，以及它的实现方法； 3.掌握在eclipse环境下，系统开发的基本步骤和方法； 4.掌握在eclipse环境下，设计和开发一个简单的生产者消费者问题系统来模拟操作系统中生产者消费者问题。 二、项目任务的主要内容和要求 1.精读并理解和掌握生产者消费者问题； 2.编写程序来模拟生产者消费者问题的实现； 3.编写应用程序测试生产者消费者问题，并显示结果。 三、项目设计（研究）思路 本课程设计的基本思路是，首先理解和掌握生产者消费者问题的基本思想和原理，然后根据理解的基本思想和原理编程实现生产者消费者问题，最后通过数据分析生产者消费者问题。 四、具体成果形式和要求 成果：生产者消费者问题程序语言实现；设计说明书。 要求：编写好的生产者消费者问题程序能够正确启动运行；设计说明书规范、合理。 进度安排 起止日期工作内容2015.6.23至2015.6.24熟悉相关内容 2015.6.25至2015.6.26 系统设计和实现 2015.6.27至2015.6.29 系统实现和撰写相关文档 主要参考资料1.《计算机操作系统》汤子瀛哲凤屏汤小丹主编西安电子科技大学出版社. 2.《计算机操作系统概论》陈宏杨忠耀主编重庆邮电大学出版社. 3.《计算机操作系统基本知识》廖成崔阳主编电子工业出版社. 4.《操作系统实现与设计》陆刚望能主编电子工业出版社. 5.《java程序语言设计》丁振凡主编，薛清华副主编清华大学出版社. 指导教师 意见 （签字）：年月日 系（教研室） 主任意见 （签字）：年月日 课程设计报告 课程名称：操作系统 专业____________ 计算机科学与技术__________ 学生姓名____________________________________ 班级_______________________________________ 学号_______________________________________ 指导教师____________________________________ 完成日期___________________________________ 信息工程学院 题目：生产者-消费者问题的模拟实现 一、设计目的 本课程设计是学习完“操作系统原理”课程后进行的一次全面的综合训练，通过课程设计，更好地掌握操作系统的原理及实现方法，加深对操作系统基础理论和重要算法的理解，加强学生的动手能力。 二、设计内容 （1）概述 设计目的：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。 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/消费者县城的标识符。（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，这一机制有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P和C之间应满足下列两个同步条件： ①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。 ②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。这个资源是消费者类进程C所有，C进 程可以申请该资源，对它施加P操作，而C进程的合作进程生产者进程P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 班级姓名：学号：成绩： 实验名称: 生产者和消费者问题 1.实验目的： “生产者消费者”问题是一个著名的同时性编程问题的集合。通过编写经典的“生产者消费者”问题的实验，读者可以进一步熟悉Linux 中多线程编程，并且掌握用信号量处理线程间的同步互斥问题。 2.实验内容： “生产者消费者”问题描述如下。 有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。当一个生产者在缓冲区满时必须等待，当一个消费者在缓冲区空时也必须等待。它们之间的关系如下图所示： 这里要求用有名管道来模拟有限缓冲区，用信号量来解决生产者消费者问题中的同步和互斥问题。 3.实验方法： （1）使用信号量解决 （2）思考使用条件变量解决 4.实验过程 （1）信号量的考虑 这里使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail初始化为N（有界缓冲区的空单元数），mutex 初始化为1，full初始化为0。 /*product.c*/ #include #define FIFO "myfifo" #define N 5 int lock_var; time_t end_time; char buf_r[100]; sem_t mutex,full,avail; int fd; void pthread1(void *arg); void pthread2(void *arg); int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t id1,id2; pthread_t mon_th_id; int ret; end_time = time(NULL)+30; /*创建有名管道*/ if((mkfifo(FIFO,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST)) printf("cannot create fifoserver\n"); printf("Preparing for reading bytes...\n"); memset(buf_r,0,sizeof(buf_r)); /*打开管道*/ fd=open(FIFO,O_RDWR|O_NONBLOCK,0); if(fd==-1) { perror("open"); exit(1); } /*初始化互斥信号量为1*/ ret=sem_init(&mutex,0,1); /*初始化avail信号量为N*/ ret=sem_init(&avail,0,N); /*初始化full信号量为0*/ ret=sem_init(&full,0,0); if(ret!=0) { perror("sem_init"); } /*创建两个线程*/ ret=pthread_create(&id1,NULL,(void *)productor, NULL); if(ret!=0) perror("pthread cread1"); ret=pthread_create(&id2,NULL,(void *)consumer, NULL); if(ret!=0) perror("pthread cread2");操作系统生产者与消费者问题实验报告
生产者消费者问题模拟实现(z)
操作系统实验报告生产者消费者问题
实验报告五 生产者和消费者问题
生产者消费者问题
操作系统课程设计——生产者消费者问题
生产者与消费者问题(附源码)
1实验1：生产者消费者问题
生产者消费者问题设计与实现
生产者消费者问题操作系统课程设计
生产者和消费者问题
- 操作系统之生产者消费者问题(C 实现)
- 生产者消费者问题
- 操作系统实验报告 经典的生产者—消费者问题
- 生产者与消费者进程同步问题
- 生产者与消费者的问题-----操作系统课程设计
- 生产者消费者问题设计与实现汇编
- 生产者与消费者问题
- windows下实现生产者和消费者问题
- 生产者和消费者的三种情况
- 生产者与消费者问题(附源码)
- 生产者消费者问题模拟实现(z)
- 生产者-消费者问题
- 操作系统实验报告 经典的生产者—消费者问题
- 生产者和消费者问题复习过程
- 实验1：生产者消费者问题
- 生产者和消费者的三种情况
- 生产者消费者问题模拟实现(z)
- 生产者和消费者问题实验报告
- 生产者消费者问题模拟实现(z)
- 多进程同步方法解决生产者-消费者问题