目的
1． 掌握进程（线程）的同步与互斥。
2． 掌握生产者消费者问题的实现方法。
3． 掌握VC的多线程编程方法。
内容
本实验要求设计并实现一个进程，该进程拥有3个生产者线程和1个消费者线程，它们使用10个不同的缓冲区。需要使用如下信号量：
l 一个mutex信号量，用以阻止生产者线程和消费者线程同时操作缓冲区队列；
l 一个full信号量，当生产者线程生产出一个物品时可以用它向消费者线程发出信号；
l 一个empty信号量，消费者线程释放出一个空缓冲区时可以用它向生产者线程发出信号；
生产者线程生产物品（通过等待一个时间模拟生产过程），然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费（通过将缓冲区数组元素值设为产品编号模拟放入过程）。消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区（通过将缓冲区数组元素值设为0模拟取出过程）。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。
根据给出的相关函数，实现生产者消费者问题。为了分析结果，要求用文件保存缓冲区变化过程。
伪代码
下面给出的是解决这一问题的部分代码和伪代码，后面附上完整代码
#include <windows.h> //大多数API函数都在这个头文件中定义#include <stdio.h>#include <iostream.h>const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; //缓冲区个数 unsigned short ProductID = 0; //生产的产品号unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号unsigned short in = 0; //产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned short out = 0; //产品出缓冲区时的缓冲区下标//缓冲区是个循环队列int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //用整型数组模拟缓冲区bool g_continue = true; //当g_continue = false结束程序HANDLE g_hMutex; // g_hMutex是互斥信号量的句柄 HANDLE g_hEmptySemaphore; //即empty信号量的句柄HANDLE g_hFullSemaphore; //即full信号量的句柄DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生产者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消费者线程//请完成主函数，主函数中要完成创建各信号量对象和创建各线程的工作main(…)
{ …
//创建生产者和消费者线程CreateThread(…, Producer, …);
CreateThread(…, Consumer, …);
…
}//请完成模拟生产者把新生产的产品放入缓冲区的过程void AddToBuffer(){
...
}//请完成模拟消费者从缓冲区中取出一个产品的过程void TakeFromBuffer(){
…
}//请根据伪代码完成生产者线程函数Producer()
{
… //获取线程ID
while(TRUE)
{ //模拟生产过程，生产一个物品
sleep(rand); //可以给出时间参数，1000为1秒，休眠时间
P(empty); //请求一个空缓冲区
//操作缓冲区池
P(mutex);
… //输出线程ID，这样可以看出是哪一个线程在工作
AddToBuffer(); //将物品放置在一个空缓冲区中
V(mutex);
V(full); //用信号通知一个满的缓冲区
} return 0;
}//请根据伪代码完成消费者线程函数 Consumer()
{
… //获取线程ID
while(TRUE)
{
P(full); //请求一个满缓冲区
//操作缓冲区池
P(mutex);
… //输出线程ID，这样可以看出是哪一个线程在工作
TakeFromBuffer(); //从一个满缓冲区中取产品
V(mutex);
V(empty); //用信号通知一个空的缓冲区
sleep(rand); //休眠时间，模拟消费产品
} return 0;
}实现代码
using System;using System.Dynamic;using System.Threading;namespace OperatingSystemExperiment.Exp2 { /// <summary>
/// 生产者-消费者问题
/// 使用 P-V 操作解决同步和互斥问题
/// 本实验要求设计并实现一个进程，该进程拥有3个生产者线程和1个消费者线程，它们使用10个不同的缓冲区。
/// </summary>
public static class Main { private static int[] _buffer = new int[10]; /// <summary>
/// 是否继续运行
/// </summary>
private static bool _continueRun = true; /// <summary>
/// 是否锁定缓冲区
/// </summary>
private static bool _isLock = false; /// <summary>
/// 产品号
/// </summary>
private static int _productId = 0; /// <summary>
/// 信号枚举
/// </summary>
private enum SemaphoreEnum { /// <summary>
/// 互斥信号量，用以阻止生产者线程和消费者线程同时操作缓冲区队列
/// </summary>
Mutex, /// <summary>
/// 当生产者线程生产出一个物品时可以用它向消费者线程发出信号
/// </summary>
Full, /// <summary>
/// 消费者线程释放出一个空缓冲区时可以用它向生产者线程发出信号
/// </summary>
Empty
} public static void Do() {
ThreadStart producer = () => { while (_continueRun) {
Thread.Sleep(1200); // 请求空缓冲区
var emptyBufferId = GetEmptyBuffer(); // 没有空缓冲区，继续等
if (emptyBufferId == -1) continue; // 缓冲区锁定，等待
if (_isLock) continue;
P(SemaphoreEnum.Empty);
P(SemaphoreEnum.Mutex);
Console.WriteLine("生产线程 {0} 工作中", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
AddToBuffer(emptyBufferId, ++_productId);
Console.WriteLine("Produce the {0} product to buffer.", _productId); // 输出缓冲区内容
var nextIn = GetEmptyBuffer(); var nextOut = GetFullBuffer(); for (var i = 0; i < _buffer.Length; i++) { if (i == nextOut)
Console.WriteLine("{0}: {1} <- 下一个可取出产品消费的地方", i, _buffer[i]); else if (i == nextIn)
Console.WriteLine("{0}: {1} <- 可放下一个产品的位置", i, _buffer[i]); else
Console.WriteLine("{0}: {1}", i, _buffer[i]);
}
V(SemaphoreEnum.Mutex); // 用信号通知一个消费者线程有一个满的缓冲区
V(SemaphoreEnum.Full);
}
}; // 1个监视线程
new Thread(() => { while (_continueRun)
{ if (_productId > 20)
_continueRun = false;
}
}).Start(); // 3个生产者
new Thread(producer).Start(); new Thread(producer).Start(); new Thread(producer).Start(); // 1个消费者
new Thread(() => { while (_continueRun) {
Thread.Sleep(200); // 请求一个满的缓冲区
var fullBufferId = GetFullBuffer(); if (fullBufferId == -1) continue; // 缓冲区锁定则继续等待
if (_isLock) continue;
P(SemaphoreEnum.Full); // 操作缓冲区池
P(SemaphoreEnum.Mutex);
Console.WriteLine("消费者线程 {0} 工作", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); var productId = TakeFromBuffer(fullBufferId);
Console.WriteLine("正在消费产品 {0}", productId);
V(SemaphoreEnum.Mutex); // 用信号通知一个空的缓冲区
V(SemaphoreEnum.Empty);
}
}).Start();
} /// <summary>
/// 生产者把新生产的产品放入缓冲区
/// </summary>
/// <returns>是否成功放入，没有空缓冲区的时候不成功</returns>
private static bool AddToBuffer(int position, int product) { if (_buffer[position] != 0) return false;
_buffer[position] = product; return true;
} /// <summary>
/// 获取一个空的缓冲区，都是满的则返回-1
/// </summary>
/// <returns>空缓冲区的编号</returns>
private static int GetEmptyBuffer() { for (var i = 0; i < _buffer.Length; i++) { if (_buffer[i] == 0) { return i;
}
} return -1;
} /// <summary>
/// 获取一个满的缓冲区，都是空的则返回-1
/// </summary>
/// <returns>满缓冲区的编号</returns>
private static int GetFullBuffer() { for (var i = 0; i < _buffer.Length; i++) { if (_buffer[i] != 0) { return i;
}
} return -1;
} /// <summary>
/// 消费者从缓冲区中取出一个产品
/// </summary>
/// <returns>产品id</returns>
private static int TakeFromBuffer(int position) { var temp = _buffer[position];
_buffer[position] = 0; return temp;
} /// <summary>
/// 申请资源操作
/// </summary>
/// <param name="s"></param>
private static void P(SemaphoreEnum s) { switch (s) { case SemaphoreEnum.Mutex:
_isLock = true; break; case SemaphoreEnum.Full: break; case SemaphoreEnum.Empty: break; default: throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(s), s, null);
}
} /// <summary>
/// 释放资源操作
/// </summary>
/// <param name="s"></param>
private static void V(SemaphoreEnum s) { switch (s) { case SemaphoreEnum.Mutex:
_isLock = false; break; case SemaphoreEnum.Full: break; case SemaphoreEnum.Empty: break; default: throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(s), s, null);
}
}
}
}运行结果
生产线程 4 工作中 Produce the 1 product to buffer. 0: 1 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 1 生产线程 5 工作中 Produce the 2 product to buffer. 0: 2 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 2 生产线程 4 工作中 Produce the 3 product to buffer. 0: 3 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 3 生产线程 6 工作中 Produce the 4 product to buffer. 0: 4 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 4 生产线程 4 工作中 Produce the 5 product to buffer. 0: 5 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 5 生产线程 5 工作中 Produce the 6 product to buffer. 0: 6 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 7 product to buffer. 0: 6 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 7 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 6 消费者线程 7 工作 正在消费产品 7 生产线程 6 工作中 Produce the 8 product to buffer. 0: 8 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 5 工作中 Produce the 9 product to buffer. 0: 8 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 9 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 10 product to buffer. 0: 8 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 9 2: 10 3: 0 <- 可放下一个产品的位置 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 8 消费者线程 7 工作 正在消费产品 9 消费者线程 7 工作 正在消费产品 10 生产线程 6 工作中 Produce the 11 product to buffer. 0: 11 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 12 product to buffer. 0: 11 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 12 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 11 消费者线程 7 工作 正在消费产品 12 生产线程 5 工作中 Produce the 13 product to buffer. 0: 13 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 6 工作中 Produce the 14 product to buffer. 0: 13 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 14 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 15 product to buffer. 0: 13 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 14 2: 15 3: 0 <- 可放下一个产品的位置 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 13 消费者线程 7 工作 正在消费产品 14 消费者线程 7 工作 正在消费产品 15 生产线程 5 工作中 Produce the 16 product to buffer. 0: 16 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 6 工作中 Produce the 17 product to buffer. 0: 16 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 17 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 18 product to buffer. 0: 16 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 17 2: 18 3: 0 <- 可放下一个产品的位置 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 16 消费者线程 7 工作 正在消费产品 17 消费者线程 7 工作 正在消费产品 18 生产线程 5 工作中 Produce the 19 product to buffer. 0: 19 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 20 product to buffer. 0: 19 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 20 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 19 消费者线程 7 工作 正在消费产品 20 生产线程 5 工作中 Produce the 21 product to buffer. 0: 21 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 0 <- 可放下一个产品的位置 2: 0 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 生产线程 4 工作中 Produce the 22 product to buffer. 0: 21 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 22 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0 消费者线程 7 工作 正在消费产品 21 生产线程 6 工作中 Produce the 23 product to buffer. 0: 23 <- 下一个可取出产品消费的地方 1: 22 2: 0 <- 可放下一个产品的位置 3: 0 4: 0 5: 0 6: 0 7: 0 8: 0 9: 0
作者：画星星高手
链接：https://www.jianshu.com/p/3fe2bf944766
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