操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告---生產(chǎn)者消費(fèi)者同步算法

1、<p><b>　　操作系統(tǒng)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書</b></p><p>　　題 目: 生產(chǎn)者消費(fèi)者同步算法 </p><p>　　院 系： 國(guó)際教育學(xué)院 </p><p><b>　　目錄</b

2、></p><p><b>　　一、概述1</b></p><p>　　二、 使用的基本概念和原理1</p><p><b>　　2.1多道程序1</b></p><p><b>　　2.1進(jìn)程2</b></p><p><b>

3、　　2.3線程2</b></p><p>　　2.4同步和互斥的概念3</p><p><b>　　三、 總體設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　四、 詳細(xì)編碼設(shè)計(jì)4</p><p>　　4.1 UI界面主線程4</p><p><b>　　4.2管程類5<

4、/b></p><p><b>　　4.3生產(chǎn)者類6</b></p><p><b>　　4.4消費(fèi)者類7</b></p><p>　　五、運(yùn)行效果截圖：7</p><p><b>　　六、總結(jié)8</b></p><p><b>

5、　　一、概述</b></p><p><b>　　目的；</b></p><p>　　根據(jù)進(jìn)程同步機(jī)制，編寫一個(gè)解決下述問(wèn)題的程序，可顯示緩沖池狀態(tài)、放數(shù)據(jù)、取數(shù)據(jù)等過(guò)程。</p><p>　　問(wèn)題：一組生產(chǎn)者向一組消費(fèi)者提供消息，它們共享一個(gè)有界緩沖池，生產(chǎn)者向其中投放消息，消費(fèi)者從中取得消息。假定這些生產(chǎn)者和消費(fèi)者互相等效，只要

6、緩沖池未滿，生產(chǎn)者可將消息送入緩沖池；只要緩沖池未空，消費(fèi)者可從緩沖池取走一個(gè)消息。</p><p>　　主要完成的任務(wù)；通過(guò)多線程編程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者同步算法。</p><p>　　使用的開(kāi)發(fā)工具；Eclipse，語(yǔ)言Java</p><p>　　解決的主要問(wèn)題：上述問(wèn)題。</p><p>　　二、 使用的基本概念和原理</p>

7、<p><b>　　2.1多道程序</b></p><p>　　多道程序設(shè)計(jì)是指在主存中同時(shí)存放多道用戶作業(yè)，使它們都處于執(zhí)行的開(kāi)始點(diǎn)和開(kāi)始點(diǎn)之間，這些程序共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。</p><p>　　多道程序設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)有：</p><p>　　(1)提高CPU的利用率。在多道程序環(huán)境下，多個(gè)程序共享計(jì)算機(jī)資源當(dāng)某個(gè)程序等待I/O

8、操作時(shí)，CPU可以執(zhí)行其他程序，大大提高CPU的利用率。</p><p>　　(2)提高設(shè)備的利用率。在多道程序環(huán)境下，多個(gè)程序共享系統(tǒng)的設(shè)備，大大提高系統(tǒng)設(shè)備的利用率。</p><p>　　(3)提高系統(tǒng)的吞吐量。在多道程序環(huán)境下，減少了程序的等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)的吞吐量。</p><p><b>　　2.1進(jìn)程</b></p>

9、<p>　　進(jìn)程是一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)。它是操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)執(zhí)行的基本單元，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程既是基本的分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。</p><p><b>　　2.3線程</b></p><p>　　線程，有時(shí)被稱為輕量級(jí)進(jìn)程(Lightweight Process，LWP)，是程序執(zhí)行流的最小單元。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程

10、由線程ID，當(dāng)前指令指針(PC)，寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤消另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。每一個(gè)程序都至少有一個(gè)線程，那就是程序本身

11、。</p><p>　　線程是程序中一個(gè)單一的順序控制流程。在單個(gè)程序中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程完成不同的工作，稱為多線程。</p><p>　　2.4同步和互斥的概念</p><p>　　進(jìn)程互斥是進(jìn)程之間發(fā)生的一種間接性作用，一般是程序不希望的。通常的情況是兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程需要同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)共享變量。我們一般將發(fā)生能夠問(wèn)共享變量的程序段成為臨界區(qū)。兩個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)進(jìn)入

12、臨界區(qū)，否則就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致，產(chǎn)生與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤。解決互斥問(wèn)題應(yīng)該滿足互斥和公平兩個(gè)原則，即任意時(shí)刻只能允許一個(gè)進(jìn)程處于同一共享變量的臨界區(qū)，而且不能讓任一進(jìn)程無(wú)限期地等待?；コ鈫?wèn)題可以用硬件方法解決，我們不作展開(kāi)；也可以用軟件方法，這將會(huì)在本講詳細(xì)介紹。</p><p>　　同步是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過(guò)其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)者對(duì)資源的有序訪問(wèn)。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，特別是所有寫入資源

13、的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個(gè)訪問(wèn)者同時(shí)訪問(wèn)資源。</p><p><b>　　三、 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基本的技術(shù)路線：面向?qū)ο?lt;/p><p>　　軟件的總體結(jié)構(gòu)、模塊關(guān)系、總體流程；</p><p><b>　　總體分為4個(gè)模塊：</b></p>

14、<p>　　用戶圖形界面模塊UI.java</p><p>　　消費(fèi)者Consumer.java</p><p>　　生產(chǎn)者 Producer.java</p><p>　　管程Pool.java</p><p>　　模塊關(guān)系：UI負(fù)責(zé)通過(guò)界面接收設(shè)置的參數(shù)，然后按照相應(yīng)的參數(shù)啟動(dòng)消費(fèi)者線程和生產(chǎn)者線程。管程被消費(fèi)者線程和生產(chǎn)者線程

15、調(diào)用，以完成對(duì)共享緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)操作。</p><p>　　總體流程：?jiǎn)?dòng)UI顯示圖形界面，輸入?yún)?shù)，然后設(shè)置管程緩沖大小，啟動(dòng)消費(fèi)者生產(chǎn)者線程同時(shí)把管城對(duì)象傳遞給它們。</p><p><b>　　四、 詳細(xì)編碼設(shè)計(jì)</b></p><p>　　總體執(zhí)行過(guò)程是：輸入?yún)?shù)、點(diǎn)擊設(shè)置使之生效、然后點(diǎn)擊開(kāi)始</p><p>　

16、　4.1 UI界面主線程</p><p>　　里面有幾個(gè)重要的屬性;</p><p>　　private int CustomerSize; //消費(fèi)者的數(shù)量</p><p>　　private int ProducerSize; //生產(chǎn)者的數(shù)量</p><p>　　private int

17、 PoolSize; //緩沖區(qū)大小</p><p>　　public Pool pool; //管城對(duì)象</p><p>　　public int buySpeed; //消費(fèi)間隔,控制消費(fèi)速度</p><p>　　public int pro

18、duceSpeed; //生產(chǎn)間隔,控制生產(chǎn)速度</p><p>　　public long inProductCount=0; //已經(jīng)生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量</p><p>　　public long outProductCount=0; //已經(jīng)消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)量</p><p>　　public long cur

19、rentProductCount=0; //當(dāng)前的產(chǎn)品數(shù)量</p><p>　　public boolean isStop=false; //強(qiáng)制線程退出的信號(hào)量</p><p>　　這些屬性是在點(diǎn)擊界面的設(shè)置按鈕后把用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的賦值。</p><p>　　當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后執(zhí)行下面的主要代碼：</p><p&g

20、t;　　//一些必要的初始化</p><p>　　isStop=false;</p><p>　　inProductCount=0;</p><p>　　outProductCount=0;</p><p>　　currentProductCount=0;</p><p>　　this.pool=new Pool(th

21、is);//初始化管程</p><p>　　this.pool.MAX_SIZE=this.PoolSize;//設(shè)置倉(cāng)庫(kù)大小</p><p>　　//開(kāi)啟消費(fèi)者線程和生產(chǎn)者線程</p><p>　　//啟動(dòng)線程同時(shí)把ui界面對(duì)象傳遞到線程中，使線程獲得必要的設(shè)置信息</p><p>　　for(int i=0;i<this.Custo

22、merSize;i++){</p><p>　　new Thread(new Customer(this)).start();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for(int i=0;i<this.ProducerSize;i++){</p><p>　　new Thread(new P

23、roducer(this)).start();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　消費(fèi)者和生產(chǎn)者的同步和他們各自之間的互斥都是在管程里面實(shí)現(xiàn)的.</p><p><b>　　4.2管程類</b></p><p>　　import java.util.Date;</p&

24、gt;<p>　　import java.util.Stack;</p><p>　　public class Pool {</p><p>　　private Stack<Integer> products;//用一個(gè)棧模擬一個(gè)緩沖區(qū)</p><p>　　public int MAX_SIZE; //棧能到

25、達(dá)的最大值</p><p>　　private UI ui; //接收轉(zhuǎn)遞進(jìn)來(lái)的ui對(duì)象,以實(shí)現(xiàn)操作界面顯示相關(guān)信息</p><p>　　public Pool(UI ui){</p><p>　　this.ui=ui;</p><p>　　this.products=new Stack<Integer>();</p>

26、;<p><b>　　}</b></p><p>　　public synchronized void getProduct(){</p><p>　　//synchronized實(shí)現(xiàn)了消費(fèi)者線程間的互斥保證同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程調(diào)用該方法</p><p>　　while(this.products.isEmpty()){<

27、/p><p>　　//products是一個(gè)棧結(jié)構(gòu)通過(guò)判斷它的空實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者線程和生產(chǎn)者線程之間的同步 try {</p><p>　　wait();//棧是空的，不能取數(shù)據(jù)，線程等待</p><p>　　} catch (InterruptedException e) {</p><p>　　e.printStackTrace

28、();}}</p><p>　　int product;</p><p>　　product=products.pop();//棧沒(méi)有空，取數(shù)據(jù)</p><p>　　ui.addInfo("消費(fèi)者【"+Thread.currentThread().getId()+"】從倉(cāng)庫(kù)取出產(chǎn)品【"+product+</p>

29、<p>　　"】成功。當(dāng)前庫(kù)存量【"+products.size()+"】" +</p><p>　　"---當(dāng)前時(shí)間戳："+new Date().getTime());</p><p>　　ui.outProductCount++;</p><p>　　ui.currentProductCoun

30、t=products.size();</p><p>　　ui.refreshStatus();</p><p>　　notifyAll();//取完數(shù)據(jù)同時(shí)生產(chǎn)線程生產(chǎn)產(chǎn)品</p><p><b>　　}</b></p><p>　　public synchronized void setProduct(){</

31、p><p>　　//synchronized實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)者線程間的互斥保證同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程調(diào)用該方法</p><p>　　int product=(int)(Math.random()*10000);</p><p>　　while(this.products.size()==MAX_SIZE){</p><p>　　//products是一

32、個(gè)棧結(jié)構(gòu)通過(guò)判斷它的滿實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者線程和生產(chǎn)者線程之間的同步</p><p><b>　　try {</b></p><p>　　wait();//棧滿了，不能繼續(xù)生產(chǎn)，線程等待</p><p>　　} catch (InterruptedException e) {</p><p>　　e.printStackTrace

33、();}</p><p><b>　　}</b></p><p>　　this.products.push(product);//棧沒(méi)有滿，繼續(xù)生產(chǎn)</p><p>　　ui.addInfo("生產(chǎn)者【"+Thread.currentThread().getId()+"】將產(chǎn)品【"+product+<

34、;/p><p>　　"】放入倉(cāng)庫(kù)。當(dāng)前庫(kù)存量【"+products.size()+"】" +</p><p>　　"---當(dāng)前時(shí)間戳："+new Date().getTime());</p><p>　　ui.inProductCount++;</p><p>　　ui.currentP

35、roductCount=products.size();</p><p>　　ui.refreshStatus();</p><p>　　notifyAll();//生產(chǎn)完畢，通知消費(fèi)者消費(fèi)</p><p><b>　　}}</b></p><p><b>　　4.3生產(chǎn)者類</b></p&g

36、t;<p>　　import java.util.Date;</p><p>　　public class Producer implements Runnable{</p><p><b>　　UI ui;</b></p><p>　　public Producer(UI ui){</p><p>　　t

37、his.ui=ui;//接收傳遞進(jìn)來(lái)的界面對(duì)象,以實(shí)現(xiàn)在線程中操作界面顯示信息</p><p><b>　　}</b></p><p>　　public void run() {</p><p>　　while(!ui.isStop) {</p><p>　　//如果信號(hào)量ui.isStop是false則一直消費(fèi)下去，否

38、則退出循環(huán)線程自然消亡</p><p>　　ui.pool.setProduct();//調(diào)用管程生產(chǎn)方法生產(chǎn)產(chǎn)品</p><p><b>　　try {</b></p><p>　　Thread.currentThread().sleep(ui.produceSpeed);</p><p>　　} catch (Int

39、erruptedException e) {</p><p>　　e.printStackTrace();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//線程退出前在界面中提示本線程退出</p><p>　　ui.ad

40、dInfo("生產(chǎn)者【"+Thread.currentThread().getId()+"】停止生產(chǎn)成功." +</p><p>　　"---當(dāng)前時(shí)間戳："+new Date().getTime());}}</p><p><b>　　4.4消費(fèi)者類</b></p><p>　　(結(jié)構(gòu)

41、同上不用再注釋)</p><p>　　import java.util.Date;</p><p>　　public class Customer implements Runnable{</p><p><b>　　UI ui;</b></p><p>　　public Customer(UI ui){</p&g

42、t;<p>　　this.ui=ui;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　public void run() {</p><p>　　while (!ui.isStop) {</p><p>　　ui.pool.getProduct();//調(diào)用管程的消費(fèi)方法消費(fèi)產(chǎn)品</p&

43、gt;<p><b>　　try {</b></p><p>　　Thread.currentThread().sleep(ui.buySpeed);</p><p>　　} catch (InterruptedException e) {</p><p>　　e.printStackTrace();</p><

44、;p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　ui.addInfo("消費(fèi)者"+Thread.currentThread().getId()+"停止購(gòu)物成功." +</p><p>　　"---當(dāng)前時(shí)間戳："+ne

45、w Date().getTime());</p><p><b>　　}}</b></p><p><b>　　五、運(yùn)行效果截圖：</b></p><p><b>　　六、總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè),使我對(duì)線程（進(jìn)程）之間的同步和互斥有了非常直觀的理解，學(xué)