《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/XP②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：2.数据结构：（1）用一个整型数组Buffer_Critical来代表缓冲区。
不管是生产产品还是对已有产品的消费都需要访问改组缓冲区。
（2）在程序中用一个自定义结构ThreadInfo记录一条线程的信息，即将测试用例文件中的一行信息记录下来，用于程序创建相应的生产者或者消费者。
由于要创建多个线程，所以程序中使用了一个ThreadInfo结构的数组Thread_Info。
(3)在实现本程序的消费生产模型时，具体地通过如下同步对象实现互斥：●设一个互斥量h_mutex,以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个空位置时进行互斥。
●每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量数组实现，该组信号量用于表示相应产品已生产。
同时用一个表示空缓冲区数目的信号量empty_semaphore进行类似的同步，指示缓冲区中是否存在空位置，以便开始生产下一个产品。
●每一个缓冲区用一个同步对象实现该缓冲区上消费者之间的互斥，这通过设置临界区对象数组PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM]实现。
3.实验步骤：（1）打开VC，选择菜单项File->New，选择Projects选项卡并建立一个名为R_WP1的win32 console application工程，创建时注意指定创建该工程的目录。
（2）在工程中创建源文件R_WP1.cpp：选择菜单项Project->Add to project->Files,此时将打开一个新窗口，在其中的“文件名”输入栏中输入自己想要创建的文件名，这里是R_WP1.cpp；接着询问是否创建新文件时回答“yes”。
通过Workspace->Source Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存。
（3）通过调用菜单项Build->Rebuild all进行编译连接，可以在指定的工程目录下得到debug->R_WP1.exe 程序，然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。
需要强调的是：在创建数据文件时，由于涉及文件的格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要用复制和粘贴数据。
4.实验源代码：//*************************R_WP1.cpp***************************#include<windows.h>#include<fstream.h>#include<stdio.h>#include<string>#include<conio.h>//定义一些常量//本程序允许的最大临界区数#define MAX_BUFFER_NUM 10//秒到微秒的乘法因子#define INTE_PER_SEC 1000//本程序允许的生产和消费线程的总数#define MAX_THREAD_NUM 64//定义一个结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数struct ThreadInfo{int serial;char entity;double delay;int thread_request[MAX_THREAD_NUM];int n_request;};CRITICAL_SECTION PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];int Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM];HANDLE h_Thread[MAX_BUFFER_NUM];ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM];HANDLE empty_semaphore;HANDLE h_mutex;DWORD n_Thread=0;DWORD n_Buffer_or_Critical;HANDLE h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM];void Produce(void *p);void Consume(void *p);bool IfInOtherRequest(int);int FindProducePosition();int FindBufferPositon(int);int main(void){DWORD wait_for_all;ifstream inFile;for(int i=0;i<MAX_THREAD_NUM;i++)Buffer_Critical[i]=-1;for(int j=0;j<MAX_THREAD_NUM;j++){for(int k=0;k<MAX_THREAD_NUM;k++)Thread_Info[j].thread_request[k]=-1;Thread_Info[j].n_request=0;}for(i=0;i<MAX_BUFFER_NUM;i++)InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]);inFile.open("d:\\test.txt");inFile>>n_Buffer_or_Critical;inFile.get();printf("输出文件是:\n");printf("%d\n",(int)n_Buffer_or_Critical);while(inFile){inFile>>Thread_Info[n_Thread].serial;inFile>>Thread_Info[n_Thread].entity;inFile>>Thread_Info[n_Thread].delay;char c;inFile.get(c);while(c!='\n'&&!inFile.eof()){inFile>>Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++];inFile.get(c);}n_Thread++;}for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){int Temp_serial=Thread_Info[j].serial;char Temp_entity=Thread_Info[j].entity;double Temp_delay=Thread_Info[j].delay;printf("\n thread%2d %c %f",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);int Temp_request=Thread_Info[j].n_request;for(int k=0;k<Temp_request;k++)printf("%d",Thread_Info[j].thread_request[k]);cout<<endl;}printf("\n\n");empty_semaphore=CreateSemaphore (NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, "semaphore_for_empty");h_mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_update");for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){std::string lp="semaphore_for_produce_";int temp=j;while(temp){char c=(char)(temp%10);lp+=c;temp/=10;}h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str());}for(i=0;i<(int)n_Thread;i++){if(Thread_Info[i].entity=='P')h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),&(Thread_Info[i]),0,NULL);elseh_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),&(Thread_Info[i]),0,NULL);}wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);printf("Press any key to quit!\n");_getch();return 0;}bool IfInOtherRequest(int req){for(int i=0;i<n_Thread;i++)for(int j=0;j<Thread_Info[i].n_request;j++)if(Thread_Info[i].thread_request[j]==req)return TRUE;return FALSE;}int FindProducePosition(){int EmptyPosition;for(int i=0;i<n_Buffer_or_Critical;i++)if(Buffer_Critical[i]==-1){EmptyPosition=i;Buffer_Critical[i]=-2;break;}return EmptyPosition;}int FindBufferPosition(int ProPos){int TempPos;for(int i=0;i<n_Buffer_or_Critical;i++)if(Buffer_Critical[i]=ProPos){TempPos=i;break;}return TempPos;}void Produce(void *p){DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;int m_serial;m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial;m_delay=( DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);printf("Producer %2d sends the produce require.\n",m_serial);wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_mutex,-1);int ProducePos=FindProducePosition();ReleaseMutex(h_mutex);printf("Producer %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);Buffer_Critical[ProducePos]=m_serial;printf("Producer %2d finish producing :\n",m_serial);printf("position[%2d]:%3d\n",ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);}void Consume(void *p){DWORD wait_for_semaphore,m_delay;int m_serial,m_requestNum;int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial;m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);m_requestNum=((ThreadInfo*)(p))->n_request;for(int i=0;i<m_requestNum;i++)m_thread_request[i]=((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];Sleep(m_delay);for(i=0;i<m_requestNum;i++){printf("Consumer %2d request to consumer %2d product\n",m_serial,m_thread_request[i]); wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1);int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);printf("Comsumer %2d begin to consume %2d product \n",m_serial,m_thread_request[i]);((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i]=-1;if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){Buffer_Critical[BufferPos]=-1;printf("position [%2d]:%3d\n",BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]);ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);}else{printf("Consumer %2d finish consuming product %2d\n",m_serial,m_thread_request[i]); }LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);}}5.实验运行结果：其中的实验数据是：31 p 52 p 43 p 24 c 3 1 3 26.实验结果分析：（1）在每个程序中需要先做P，后做V，二者要成对出现，夹在二者中间的代码段就是该进程的临界区。