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;i<BUFFER_SIZE;i++) //清空缓冲区；
buffer[i]=0;
for(i=0;i<num_producer;i++) //创建生产者，消费者线程；
pthread_create(&threads_p[i],NULL,producer_thread,(void *)(i+1));
for(i=0;i<num_consumer;i++)
pthread_create(&threads_c[i],NULL,consumer_thread,(void *)(i+1));
for(i=0;i<num_producer;i++) //销毁线程；
pthread_join(threads_p[i],NULL);
for(i=0;i<num_consumer;i++)
pthread_join(threads_c[i],NULL);
sem_destroy(&full);
sem_destroy(&empty); //销毁信号量；
sem_destroy(&mutex);
}
return 0;
}
源文件名：producer.c
内容：
/*
**************************************************************************************
*Project/File :producer.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:
*当缓冲区中有空闲位置时，允许任何一个生产者把它的产品存入；
*当缓冲区中无空闲位置时，试图将产品存入缓冲区的任何生产者必须等待；
**************************************************************************************
*/
#include"producer_consumer.h"
void *producer_thread(void *tid)
{
int i;
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);
while(1)
{
sem_wait(&empty); //信号量减一，即看看生产者是否可以向当前指针指向的位置放产品，
//保证生产者之间互斥；
srand((int)time(NULL) * (int)tid);
sleep(1);
sem_wait(&mutex); //信号量减一，看看当前时刻缓冲区是否被占用，
//保证生产者和消费者之间互斥；
// srand((int)time(NULL) * (int)tid);
if(NUM>BUFFER_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<BUFFER_SIZE;i++)
{
printf("%3d",buffer[i]);
}
printf("\n");
sem_post(&mutex); //释放缓冲区；
sem_post(&full); //告诉消费者有产品可以消费；
srand((int)time(NULL) * (int)tid);
}
return 0;
}
源文件名：consumer.c
内容：
/*
**************************************************************************************
*Project/File :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:
*当缓冲区中尚有未取出的产品时，允许任何一个消费者吧其中的一个产品取出；
*当缓冲区中没有未取出的产品时，试图从该环内取出产品的任何消费者必须等待；
**************************************************************************************
*/
#include"producer_consumer.h"
void *consumer_thread(void *tid)
{
int i;
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);
while(1)
{
sem_wait(&full); // 从信号量减去一个"1"；
srand((int)time(NULL) * (int)tid);
sem_wait(&mutex); //对缓冲区互斥使用；
// srand((int)time(NULL) * (int)tid);
printf("消费者编号:%d\t 指针:%d\t\n",(int)tid,nextc);
buffer[nextc] = 0;
nextc =(nextc + 1) % BUFFER_SIZE; //指针后移，指向下一个产品；
total_consumer++;
sleep(1);
printf("缓冲区:");
for(i = 0;i < BUFFER_SIZE;i++)
{
printf("%3d",buffer[i]);
}
printf("\n");
sem_post(&mutex); //释放缓冲区；
sem_post(&empty); //信号量加"1",告诉生产者可以放产品；
srand((int)time(NULL) * (int)tid);
}
return 0;
}
文件名：producer_consumer.h
内容：
/*
**************************************************************************************
*Project/File :producer_consumer.h
*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:
*将所有.c文件所用到的头文件包含进去；
*包含所有的宏定义；
*全局变量的定义；
*函数的声明；
**************************************************************************************
*/
#ifndef producer_consumer_h
#define producder_consumer_h
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "pthread.h"
#include "semaphore.h"
#include "signal.h"
#include "unistd.h"
#define num_producer 5
#define num_consumer 5
#define BUFFER_SIZE 20
int NUM;
int total_producer, total_consumer;
int buffer[BUFFER_SIZE];
int nextp, nextc;
pthread_t threads_p[100], threads_c[100];
sem_t empty, full, mutex;
void *producer_thread(void *tid);
void *consumer_thread(void *tid);
#endif
文件名：Makefile
内容：
vpath %.h../producer_consumer
producer_consumer:producer.o consumer.o producer_consumer.o
gcc -o producer_consumer -pthread producer.o consumer.o producer_consumer.o
producer_consumer.o:producer_consumer.c producer_consumer.h
gcc -c producer_consumer.c -I./include
producer.o:producer.c producer_consumer.h
gcc -c producer.c -I./include
consumer.o:consumer.c producer_consumer.h
gcc -c consumer.c -I./include