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1、课程设计报告课程名称操作系统课题名称利用多线程模拟实专 业通信工程班 级学 号姓 名指导教师田娟秀、谭小兰20 年 月 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称操作系统课 题利用多线程模拟实现生产者/消费者问题.任务书下达日期20 年 6 月 日任 务 完成日 期20 年 6 月 日、设计内容与设计要求1设计内容：课题4：利用多线程模拟实现生产者/消费者问题。 生产者/消费者问题是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大 小缓冲区的线程即所谓的“生产者”和“消费者”在实际运行时会发生的问题。 生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消 费者也在缓冲
2、区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入 数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠，等到下次消费者消耗缓 冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以 让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费 者。通常采用进程间通信的方法解决该问题，如采用信号量方法。如果解决方法不 够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方 唤醒自己。2 选题方案：所选题目根据学号确定，学号模 7 加 1，即(学号%7+1)。如你的学号为 9，则 所选题目号为：9%7
3、+1=(题目3)。3 设计要求：3.1 课程设计报告规范( 1 )需求分析a. 程序的功能。b. 输入输出的要求。( 2 )概要设计a. 程序由哪些模块组成以及模块之间的层次结构、各模块的调用关系；每个模 块的功能。b. 课题涉及的数据结构和数据库结构；即要存储什么数据，这些数据是什么样 的结构，它们之间有什么关系等。（3）详细设计a.采用C语言定义相关的数据类型。b写出各模块的类C码算法。c. 画出各函数的调用关系图、主要函数的流程图。（4）调试分析以及设计体会a. 测试数据：准备典型的测试数据和测试方案，包括正确的输入及输出结果和含有错误的输入及输出结果。b. 程序调试中遇到的问题以及解决
4、问题的方法。c. 课程设计过程经验教训、心得体会。（5）使用说明用户使用手册：说明如何使用你编写的程序，详细列出每一步的操作步骤。（6）书写格式a. 设计报告要求用 A4 纸打印成册：b. 一级标题用 3 号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为22。（7）附录源程序清单（带注释）3.2 考核方式指导老师负责验收程序的运行结果，并结合学生的工作态度、实际动手能力、创新 精神和设计报告等进行综合考评，并按优秀、良好、中等、及格和不及格五个等级给出 每位同学的课程设计成绩。具体考核标准包含以下几个部分：（1）平时出勤 （占 10%）（2）系统需求分析、功能设计、数据结构设计及程序总
5、体结构合理与否（占 10%）（3）程序能否完整、准确地运行，个人能否独立、熟练地调试程序（占 40%）（4）设计报告（占 30%）注意：不得抄袭他人的报告（或给他人抄袭），一旦发现，成绩为零分。（5）独立完成情况（占 10%）。3.3 课程验收要求（1）运行所设计的系统。（2）回答有关问题。（3）提交课程设计报告。（4）提交软盘（源程序、设计报告文档）。（5）依内容的创新程度，完善程序情况及对程序讲解情况打分二、 进度安排15 周：星期五8 ： 00 12：00上机星期六19 ： 00-2200上机星期天14 ： 30 18：30上机附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、
6、附件（A4大小的图纸及程序清单）。 正文的格式:一级标题用3 号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为 22。正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模块的划分（要求画出模块图）；三、主要功能的实现（至少要 有一个主要模块的流程图）；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释） 正文总字数要求在4500 字以上（不含程序原代码）。目录一、需求分析 11.1 程序的功能 11.2 输入输出的要求 1二、概要设计 12.1 设计原理 12.2 模块设计 22.3 数据结构分析 3三 、详细设计 43.1 生产者 43.2 缓冲区 53.3 消
7、费者 73.4 程序总体流程图 9四、程序调试 9五、总结 11六、运行结果 11七、附件 13利用多线程模拟实现生产者/消费者问题一、需求分析1.1 程序的功能利用VC+编写程序，模拟多线程生产者和消费者问题1、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。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。2、消费者线程从缓冲区中获得物品，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。3、保证生产者不会在缓冲区满时加入
8、数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。 也就是说，生产者在缓冲区满时休眠，等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生 产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休 眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。1.2 输入输出的要求因为生产者和消费者个数在程序代码当中已经设定，所以不要求输入。对于输出的 要求：1、输出当前状态，是生产还是消费；2、输出生产者生产产品的产品号；3 、输出缓冲区状态；4、输出消费者消费的产品号。二、概要设计2.1 设计原理生产者线程和消费者线程共享同一个缓冲队列， 生产者线程向缓冲区中写数 据，消费者线程从缓冲区中取数据。但
9、两者必须在使用缓冲队列资源时保持互斥， 否则可能会导致在写入时产生数据覆盖，在读出时得到错误数据。因而要在程序 中设置一个互斥锁或公用信号量，用于保证线程间的互斥执行。同时生产者线程 和消费者线程必须保持同步关系，因为生产者线程的执行为消费者线程提供了需 要的数据，是其执行的前提。反之，消费者线程的执行为生产者线程腾出了空闲 的缓冲单元，为写数据提供了条件。即消费者线程执行的前提：缓冲队列中至少 有一个单元有数据；生产者线程执行的前提：缓冲队列中至少有一个单元是空的。 如图 2-1 所示：7肖费者2n个大小相等的缓冲区.毎 个缓3呕可存放个消息图 2-1 原理图2.2 模块设计2.2.1 函数
10、模块首先，应该设计生产者 DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)和消费者模块 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)。然后，设计生产一个产品的函数 void Produce() 和消费一个产品的函数 void Consume() 。最后，设计缓冲区相关的函数。例如，将一个新产品放入缓冲区，然后显示缓存区 的状态的函数void Append()和从缓冲区当中取出一个产品然后显示缓冲区的状态的函 数 void Take() 。2.2.2 模块调用关系在生产者模块 DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPar
11、a)当中，调用了 void Append。 函数和void Produce()，用来生产一个产品，然后这个产品放入缓冲区。消费者模块 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)中，调用了 void Take()函 数和void Consume()函数，用来从缓冲区取出一个产品，然后消费掉。调用结构如图 2-2 所示消费者DWORD WINAPIConsumer。生产者DWORD WINAPIProducer()生产一个产品void Produce。将一个新产品放入 缓冲区并显示缓冲 区的状态oid Append。丿 *将产品从缓冲区取出，并显示缓冲区的状态void
12、 Take()消费一个产品void Consume()图 2-2 模块调用关系2.3 数据结构分析(1)生产者与消费者实现：其中主要是通过多线程，来实现生产者和消费者之间的协调问题。(2)生产者(producer)消费者(consumer):通过一些记录性变量，来记录模拟实现生产者的行为，通过输入语句的提示程序采用面向对象设计模式，缓存区采用数组结构存储。unsigned shortconst unsigned shortDWORD WINAPI定义整形类的指针无符号短整型常量返回 DWORD(32 位数据)的 API 函数CreateThread 原型:HANDLE CreateThread
13、LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributesSIZE_T dwStackSize；LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress；LPVOID lpParameter；DWORD dwCreationFlags；LPDWORD lpThreadId ；三 、详细设计3.1 生产者3.1.1 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 n生产一个产品产品 ID 号为： +ProductID .7std:cerr std:endl;3.1.2 生产者DWORD WINAPI Produ
14、cer(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;3.1.3 生产者流程图图 3-1 生产者流程图3.2 缓冲区3.2.1 把新生产的产品放入缓冲区void Append()std:cerr 把新产品放入缓冲区 . ;g_bufferin = ProductID;in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;st d:cerr n缓冲区状态：n st d:endl;std:cerr n 缓冲区编号产品编号 n std/输出缓冲区当前的状态for (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i)std:co
