以生产者消费者为例实现Linux进程线程控制

操作系统课程设计实验报告

设计题目一：Linux进程线程控制

——以生产者消费者为例实现进程线程控制

——by 

一、设计题目要求

加深理解进程和程序、进程和线程之间的联系与区别；

深入理解进程及线程的重要数据结构及实现机制；

熟悉进程及线程的创建、执行、阻塞、唤醒、终止等控制方法；

学会使用进程及线程开发应用程序。

二、程序设计思路及流程图

程序功能简介：

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。

程序设计思路：

设计了两个主要函数：生产者函数、消费者函数

设计了三个信号量：full信号量，判断缓冲区是否有值，初值为0；

                  empty信号量，判断缓冲区是否有空缓冲区，初值为缓冲区数；

                  mutex信号量作为互斥信号量，用于互斥的访问缓冲区。

生产者函数通过执行P操作信号量empty减1，判断缓冲区是否有空。有空则互斥的访问缓冲区病放入数据，然后释放缓冲区，执行V操作，信号量full加1.

消费者函数执行P操作，信号量full减1，判断是否有数据，有则互斥的访问缓冲区并取走数据，然后释放缓冲区，执行V操作，empty信号量加1。

程序流程图：

见附录A

三、涉及的背景知识及所用函数简介

1、fork 函数

函数原型 ：pid_t fork(void)

头文件 ：unistd.h

作用 ：创建一个子进程

返回值 ：成功后父进程返回子进程的PID号，子进程返回0；失败返回-1

2、pthread_create 函数

函数原型 ：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr， void *(*start_rtn) (void*)，void * arg)

头文件 ：pthread.h

作用 ：创建一个线程

参数 ：thread         待创建线程的id指针

           pthread_attr_t     创建线程时的线程属性

           *start_rtn(void * ) 返回值是void*类型的指针函数

           arg                函数start_rtn的参数

返回值 ：成功返回0；失败返回错误编号

3、pthread_join 函数

函数原型 ：int pthread_join( pthread_t thread, void ** rval_ptr)

头文件 ：pthread.h

作用 ：1)调用者将挂起并等待指定线程终止

                 2)当新线程调用pthread_exit()退出或者return时，进程中的其他线       可通过pthread_join()获得进程的退出状态

参数 :thread 线程的ID

rval_ptr 线程的返回状态

返回值 ：成功返回0；失败返回错误编码

    4、wait 函数

函数原型 ：pid_t wait(int *status)

头文件 ：sys/wait.h

作用 ：调用者将挂起并等待子进程终止

参数 ：status 进程的返回状态

返回值 ：子进程的ID号

5、sem_wait 函数

函数原型 ：int sem_wait(sem_t*sem)     

头文件 ：semaphore.h       

作用 ：从信号量的值减去一个“1”，但它永远会先等待该信号量为一个

零值才开始做减法    

返回值 ：所有的函数成功返回0，错误的话信号量的值不改动，返 回-1，error设定来标识错误

6、sem_post 函数

函数原型 ：int sem_post(sem_t*sem)

头文件 ：emaphore.h  

作用 ：给信号量的值加上一个“1”

返回值 ：所有的函数成功返回0，错误的话信号量的值不改动，返 回-1，error设定来标识错误

7、sem_init 函数

函数原型 ：int sem_init(sem_t*sem, int pshared, unsigned int value);

         头文件 ：emaphore.h 

作用 ：初始化一个定位在sem的匿名信号量

返回值 ：成功是返回0；错误时，返回—1，并把error设置为合适的值。

8、sem_destroy 函数

函数原型 ：int sem_destroy(sem_t*sem)

头文件 ：emaphore.h  

作用 ：销毁有sem指向的匿名信号量

     

 返回值 ：成功是返回0；错误时，返回—1，并把error设置为合适的值。

9、signal 函数

函数原型 ：void (*signal(int signum,void(*handler)(int)))(int);           

头文件 ：signal.h

作用 ：设置某一信号的对应动作

参数 ：sinnum指明了所要处理的信号类型

               handler描述了与信号关联的动作

返回值 ：返回先前的信号处理函数指针，如果有错误则返回 SIG_ERR(-1)。

10、alarm 函数

函数原型 ：unsigned int alarm (unsigned int seconds);

头文件 ：unistd.h

作用 ：在进程中设置一个定时器，当定时器指定的时间到时，它向进程 发送SIGALRM信号。如果忽略或者不捕获此信号，则其默认动作      是终止调用该alarm函数的进程。

参数 ：seconds  制定秒数

 返回值 ：成功：如果调用此alarm（）前，进程已经设置了闹钟时间，则返 回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0。出错：-1

11、getpid 函数

函数原型 ：int_getpid(void)

头文件 ：unistd.h

作用 ：取得进程识别代码

返回值 ：目前进程的进程识别码

12、srand 函数

函数原型 ：void srand(unsigned seed);         

头文件 ：stdlib.h

作用 ：产生伪随机数序列

参数       ：seed   改变系统提供的种子植

13、Pthread_setcancel state 函数

函数原型 ：int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)

作用 ：设置本线程对cancel信号的反应，state有两种值，分别表示收到     信号后设为canceled状态和忽略cancel信号继续运行；oldstate如果     不为null则存入原来的cancel状态以便恢复。

四、程序所用数据结构简介

int num_producer ,num_consumer    :宏定义中生产者,消费者的数量

int BUFFER_SIZE        :缓冲区大小

int NUM        :产品编号

int total_producer,total_consumer        :每5秒对生产者和消费者数量进行统计

int buffer[BUFFER_SIZE]        :缓冲区模型

int nextp, nextc        :生产者,消费者的指针

pthread_t thrreads_p[100],threads_c[100]  :生产者,消费者线程

sem_t empty,full, mutex  :信号量，以使生产者之间和消费者之间，以及二者之间的互斥

void handler()         :用来循环输出生产者,消费者的数量

五、程序源代码

见附录B

六、调试方案及调试过程记录与分析

输入文件选取：

本程序无需输入，只需按照需要更改生产者,消费者,缓冲区的数量和大小即可。

测试结果、调试过程：

第一次测试结果：显示很多函数文件未定义。

第一次调试：在makefile文件开头加vpath命令，来指明用户自己所定义的头文件的位置，同时在每个用到用户自己定义头文件的.c文件的gcc-c一行加上-I./include。

第二次测试结果：头文件被包含进去，但NUM变量出现重复定义错误。

第二次调试：在.h文件中声明全局变量，而全局变量的赋值放在了主函数producer_consumer.c中。

第三次测试结果：使用1个生产者，1个消费者，2块缓冲区，此时无语法错误，但是改变之前的数据为3,3,20之后，生产者和消费者出现次序并没有体现同步与互斥。

第三次调试：使用函数pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL)取消线程，和srand函数，使生产者和消费者可以同步和互斥。

第四次测试结果：程序可以正确执行，无语法错误，并且可以实现同步和互斥。

七、程序运行结果分析

通过四次测试调试运行，程序可以正确执行，可以实现生产者、消费者的同步与互斥，以及对缓冲区的互斥使用。

程序源代码：

 

源文件名：producer_consumer.c
内容：
/* 
************************************************************************************** 
*Project/File :producer_consumer.c 
*By :
*Mail :
*Status :finished 
*version :2.0 
*Created Time :2014年09月24日星期三17时45分50秒 
************************************************************************************** 
*Note: 
*系统里有若干个合作的进程/线程，其中n个生产者线程，m个消费者线程，以及p块缓冲区。 
*任何一个生产者都可以将自己的产品存入缓冲区的任何一个位置； 
*任何一个消费者都可以将缓冲区内的一个产品取出； 
*生产者源源不断地生产并存入产品； 
*消费者周而复始地从缓冲区中取出产品将其消费掉； 
************************************************************************************** 
*/ 
 
#include"producer_consumer.h" 
 
void handler() 
{ 
printf("total_producer = %d, total_consumer = %d\n", total_producer, total_consumer); 
signal(SIGALRM, handler);  //让内核做好准备，一旦接受到SIGALARM信号,就执行 handler; 
alarm(5); //闹钟设为5秒; 
 
} 
 
int main() 
{ 
NUM=1; 
total_producer = 0; 
total_consumer = 0; 
nextp=0; 
nextc=0; 
int p1; 
p1 = fork(); 
if(p1) 
{ 
//parent 
printf("This is parent(%d)!\n", getpid()); 
} 
else 
{ 
//child 
int i; 
handler(); //每隔5秒钟统计一下生产的产品数和消费的产品数； 
sem_init(&empty,0,BUFFER_SIZE);  //初始化信号量； 
sem_init(&full,0,0); 
sem_init(&mutex,0,1); 
 
for(i=0;iBUFFER_SIZE) NUM=1; //如果大于20，NUM重新为1 ； 
buffer[nextp]=(NUM++); 
printf("生产者编号:%d\t指针:%d\t\n", (int)tid, nextp); 
nextp=(nextp+1) % BUFFER_SIZE;  //生产者指针后移，指向下一个位置 
total_producer++; 
printf("缓冲区:"); 
for(i=0;i