操作系统实验报告--经典的生产者—消费者问题

实验二经典的生产者—消费者问题

一、目的

实现对经典的生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解经典进程同步问题。

二、实验内容及要求

编制生产者—消费者算法，模拟一个生产者、一个消费者，共享一个缓冲池的情形。

1、实现对经典的生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解此经典进程同步问题。生产者－消费者问题是典型的PV操作问题，假设系统中有一个比较大的缓冲池，生产者的任务是只要缓冲池未满就可以将生产出的产品放入其中，而消费者的任务是只要缓冲池未空就可以从缓冲池中拿走产品。缓冲池被占用时，任何进程都不能访问。

2、每一个生产者都要把自己生产的产品放入缓冲池，每个消费者从缓冲池中取走产品消费。在这种情况下，生产者消费者进程同步，因为只有通过互通消息才知道是否能存入产品或者取走产品。他们之间也存在互斥，即生产者消费者必须互斥访问缓冲池，即不能有两个以上的进程同时进行。

三、生产者和消费者原理分析

在同一个进程地址空间内执行两个线程。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挡，直到新的物品被生产出来。

四、生产者与消费者功能描述：

生产者功能描述：在同一个进程地址空间内执行两个线程。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。

消费者功能描述：消费者线程从缓冲区获得物品，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。

五、实验环境

操作系统环境：Windows系统。

编程语言：C#。

六、生产者与消费者的思路和设计

1、程序流程图

(1) 生产者

(2) 消费者

2、主要程序代码

//初始化变量

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)

{

mutex = 1; //互斥信号量

full = 0; //缓冲池中满缓冲区的数量

empty = 5;//缓冲池中空缓冲区的数量

count1 = 0;//生产的产品数目

i = 0;

lb_mutex.Text = "1";

lb_full.Text = "0";

lb_empty.Text = "5";

}

//消费者从缓冲区中消费一个产品

private void consumer_Click(object sender, EventArgs e)

{

if (full > 0)

{ //消费者已进入互斥临界区

if (mutex == 1) //申请进入临界区

{

mutex = 0; //消费者已进入互斥临界区

lb_mutex.Text = "0";

timer_consumer.Enabled = true;//启动消费者消费缓冲区产品

}

else

{

MessageBox.Show("缓冲区被占用，请等待。。。", "信息提"MessageBoxButtons.OK);

}

}

else

{

MessageBox.Show("缓冲区为空，不能消费!", "信息提示", MessageBoxButtons.OK);

}

}

//生产者向缓冲区中存入一个产品

private void producer_Click(object sender, EventArgs e)

{

count1 = count1 + 1; //生产一个产品

if (empty > 0)

{ //有缓冲区可放产品

if (mutex == 1)

{ //申请进入临界区

mutex = 0; //生产者已进入临界区

lb_mutex.Text = "0";

timer1.Start(); //启动生产者将产品放入缓冲区

}

else

{ //不能进入临界区

count1 = count1 - 1;

MessageBox.Show("缓冲区被占用，请等待。。。", "信息提示", MessageBoxButtons.OK);

}

}

else

{

MessageBox.Show("缓冲区已满!", "信息提示", MessageBoxButtons.OK); //无缓冲区可放产品count1 = count1 - 1;

}

}

//生产者

private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e)

{

if (bool1)

{

switch (count1)

{

case 1: pictureBox1.Visible = true; break;

case 2: pictureBox2.Visible = true; break;

case 3: pictureBox3.Visible = true; break;

case 4: pictureBox4.Visible = true; break;

case 5: pictureBox5.Visible = true; break;

}

lb_show.Text = "生产者进程占用缓冲区，请等待。。。。";

bool1 = false;

}

else

{

switch (count1)

{

case 1: pictureBox1.Visible = false; break;

case 2: pictureBox2.Visible = false; break;

case 3: pictureBox3.Visible = false; break;

case 4: pictureBox4.Visible = false; break;

case 5: pictureBox5.Visible = false; break;

}

lb_show.Text = "生产者进程占用缓冲区，请等待。。。。";

bool1 = true;

}

i = i + 1;

if (i == 5)

{ //循环缓冲区，首尾相接

i = 0;

timer1.Enabled = false;

mutex = 1;

lb_mutex.Text = "1";

switch (count1)

{

case 1: pictureBox1.Visible = true; break;

case 2: pictureBox2.Visible = true; break;

case 3: pictureBox3.Visible = true; break;

case 4: pictureBox4.Visible = true; break;

case 5: pictureBox5.Visible = true; break;

}

full = full + 1;

lb_full.Text = full.ToString();

empty = empty - 1;

lb_empty.Text = empty.ToString();

lb_show.Text = "生产结束!";

}

}

//消费者

private void timer_consumer_Tick(object sender, EventArgs e)

{

if(bool1){

switch(count1){

case 1: pictureBox1.Visible = true; break;

case 2: pictureBox2.Visible = true; break;

case 3: pictureBox3.Visible = true; break;

case 4: pictureBox4.Visible = true; break;

case 5: pictureBox5.Visible = true; break;

}

lb_show.Text = "消费者进程占用缓冲区，请等待。。。。";

bool1 =false;

}

else{

switch(count1){

case 1: pictureBox1.Visible = false; break;

case 2: pictureBox2.Visible = false; break;

case 3: pictureBox3.Visible = false; break;

case 4: pictureBox4.Visible = false; break;

case 5: pictureBox5.Visible = false; break;

}

lb_show.Text= "消费者进程占用缓冲区，请等待。。。。";

bool1= true;

}

i = i + 1;

if(i==5){

i = 0;

timer_consumer.Enabled = false;

mutex = 1;

lb_mutex.Text= "1";

switch(count1){

case 1: pictureBox1.Visible = false; break;

case 2: pictureBox2.Visible = false; break;

case 3: pictureBox3.Visible = false; break;

case 4: pictureBox4.Visible = false; break;

case 5: pictureBox5.Visible = false; break;

}

count1 = count1 - 1;

full = full - 1;

lb_full.Text = full.ToString();

empty = empty+1;

lb_empty.Text=empty.ToString();

lb_show.Text="消费结束！";

}

3、运行界面和运行结果

一般情况下，点一次生产者按纽，mutex由1变为0，缓冲区呈现闪烁状态（表示正在存储），此时不可以再进行缓冲区操作，否则将显示“生产者进程正在占用缓冲区，请等待”。闪烁约1.5秒后，mutex 由0变为1，闪烁停止，表示存储过程结束；点一次消费者按纽，mutex由1变为0，缓冲区呈现闪烁状态（表示正在消费），此时不可以再进行缓冲区操作，否则将显示“消费者进程正在占用缓冲区，请等待”。闪烁约1.5秒后，mutex由0变为1，闪烁停止，表示消费过程结束。

缓冲池满后，若再点生产者按纽，会给出信息提示：“缓冲区已满!”。

缓冲池空后，若再点消费者按纽，也会给出信息提示：“缓冲区为空，不能消费!”。

在存储状态或消费状态（闪烁状态），无论是点生产者按纽还是消费者按纽都会给出“缓冲区被占用，请等待。。”信息提示。

七、心得体会

本次实验是关于生产者与消费者之间互斥和同步的问题。问题的是指是P、V操作，实验设一个共享缓冲区，生产者和消费者互斥的使用，当一个线程使用缓冲区的时候，另一个让其等待直到前一个线程释放缓冲区为止。

生产者与消费者是一个与现实有关的经验问题，通过此原理举一反三可以解决其他类似的问题。

通过本实验设计，我们对操作系统的P、V进一步的认识，深入的了解P、V操作的实质和其重要性。课本的理论知识进一步阐述了现实中的实际问题。

实验中，我们小组分工合作，共同学习，虽然在实验中遇到了一些问题，但在老师和同学的细心指导和热心帮助下解决了。同时，了解到团队精神的重要性，也为以后的学习和工作打下了坚实的基础，同时积累了宝贵的经验。