生产者消费者问题实现
班级姓名学号
一．实验目的
1.熟悉临界资源、信号量及PV操作的定义与物理意义
2.了解线程通信的方法
3.掌握线程互斥与同步的相关知识
4.掌握用信号量机制解决线程之间的同步与互斥问题
5.实现生产者－消费者问题，深刻理解线程同步问题
二、实验的硬件、软件平台
硬件：计算机
软件：操作系统win10
应用软件：Dev C++
三、实验原理
生产者-消费者问题是一个经典的线程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。

在同一个线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。

多个生产/消费者在有界缓冲上操作。

它利用N个字节的共享内存作为有界循环缓冲区，利用写一字符模拟放一个产品，利用读一字符模拟消费一个产品。

当缓冲区空时消费者应阻塞睡眠，而当缓冲区满时生产者应当阻塞睡眠。

一旦缓冲区中有空单元，生产者线程就向空单元中入写字符,并报告写的内容和位置。

一旦缓冲区中有未读过的字符，消费者线程就从该单元中读出字符，并报告读取位置。

生产者不能向同一单元中连续写两次以上相同的字符，消费者也不能从同一单元中连续读两次以上相同的字符。

在进行多线程编程时，由于资源共享和进程间合作而造成进程间相互制约，难免还要碰到两个问题，那就线程间的互斥与同步：线程同步是指线程之间所具有的一种制约关系，一个线程的执行依赖另一个线程的消息，当它没有得到另一个线程的消息时应等待，直到消息到达时才被唤醒。

线程互斥是指对于共享的进程系统资源，在各单个线程访问时的排它性。

当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。

线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步（下文统称为同步）。

线程间的同步方法大体可分为两类：用户模式和内核模式。

内核模式就是指
利用系统内核对象的单一性来进行同步，使用时需要切换内核态与用户态，而用户模式就是不需要切换到内核态，只在用户态完成操作。

用户模式下的方法有：原子操作（例如一个单一的全局变量），临界区。

内核模式下的方法有：事件，信号量，互斥量。

在本实验中，线程之间要进行通信来操作同一缓冲区。

一般来说，线程间的通信可以划分为三种：1）使用全局变量实现线程间通信；2）使用消息实现线程间通信；3）使用CEvent类实现线程间通信。

四、实验内容及步骤
实验内容：模拟操作系统中进程同步和互斥。

实现经典同步问题：生产者—消费者，具体要求如下(可采用C++或者java）
(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。

(4)按要求输出。

实验步骤：
首先，使用一个互斥锁，意味着资源槽机制就不能使用了。

因为资源槽虽以用一个互斥锁完成，但是需要有额外的通信，如果使用管道通信，则管道也必须是互斥，这就不满足1个互斥锁的要求。

其次，要求生产者一直生产，这就否定了另外一种方法：消费者、生产者的位置均平等，消费者消费的时候生产者不能生产，生产者生产的时候消费者不能消费。

因此，就需要采用A要求，也就是循环链表的形式。

为了保证互斥要求，需要定义一个数据结构，这个数据结构包含两个指针，一个读一个写，同时有一个资源数目量，告诉生产者和消费者是否可以生产或者消费。

由于该数据结构很小，因而可以对此结构互斥访问。

同时，对于每组数据，都有一个标志位，表示此组数据是否被占用，生产者和消费者均可以先占用此位置然后完成相应的操作。

当消费者互斥访问此结构时，首先判断是否有数据可以取，如果没有，直接等待，若有数据可取，先更改标志位占用此数据，并将资源数目-1。

然后交出互斥，把数据拷贝到自己缓冲区内，清空数据。

当生产者访问时，首先判断有没有空位可以生产，如果没有，直接等待，若有数据可以生产，先判断该位是否被占用，如果没被占用，则占用此位置进行生产。

生产完成后，将占用位改为未占用，同时将资源数目+1。

流程图： A 、主函数
Y
Y N
Y N
B 、统计线程
Y
N
Main 函数开始 初始化公共数据区
初始化信号量 创建生产者进程 创建消费者进程
创建统计进程 成功？
成功？
成功？
定时到 退出
开始进程 定时时间+1 满屏 打印消费结束进程
修改退出
C 、生产者线程 N
Y
Y
N
Y
N
N
Y
Y
开始进程
要求退出
结束进程
加锁成功
有空位
取得成功
加锁成功
生产数据
解锁
设置取得成功
失败计数+1
设置取得失败
检查资源数目
要求加锁
解锁
增加资源数目
要求加锁
D 、消费者线程
N
Y
N
N
N
N
Y
Y
五、实现代码
六、运行结果
开始进程
要求退出
结束进程
加锁成功
有产品
取得成功 加锁成功
消费数据
解锁
设置取得成功
失败计数+1
设置取得失败
检查资源数目
要求加锁
解锁
增加资源数目
要求加锁
七、实验心得
通过这次实验，我对linux的线程、进程等知识有了更直观深入的了解。

通过写这几个程序，弄清楚了信号量及互斥在使用中的具体运行方法。

除了涉及多个知识点之外，自己在做程序的时候也通过解决问题，对linux下一些函数认识的更加透彻，例如对进程间的通信，多线程的安全问题，管道问题都有了进一步的了解。