windows操作系统中用信号量机制解决生产者消费者问题

本文介绍了一个基于Windows环境下的生产者消费者模型实现,通过线程模拟生产者和消费者的行为,利用信号量、互斥锁和临界区等同步机制保证资源访问的一致性和安全性。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >


#include <windows.h>
#include <fstream>		//与课本不同
#include <iostream>		//与课本不同
#include <string>
#include <conio.h>

using namespace std;

//定义一些常量;
//本程序允许的最大临界区数;
#define MAX_BUFFER_NUM	10
//秒到毫秒的乘法因子;
#define INTE_PER_SEC 1000
//本程序允许的生产和消费线程的总数;
#define MAX_THREAD_NUM 64

//定义一个结构,记录在测试文件中指定的每一个线程的参数
struct ThreadInfo
{
	int	serial;								//线程序列号
	char	entity;							    //是P还是C
	double	delay;							//线程延迟
	int	thread_request[MAX_THREAD_NUM]; 	//线程请求队列
	int	n_request;							//请求个数
};

//全局变量的定义

//临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问;
CRITICAL_SECTION	PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];	
int	        Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM]; //缓冲区声明,用于存放产品;
HANDLE    h_Thread[MAX_THREAD_NUM];	 //用于存储每个线程句柄的数组;
ThreadInfo	Thread_Info[MAX_THREAD_NUM];	 //线程信息数组;
HANDLE	empty_semaphore;					 //一个信号量;
HANDLE	h_mutex;							 //一个互斥量;
DWORD		n_Thread = 0;					     //实际的线程的数目;
DWORD		n_Buffer_or_Critical;			     //实际的缓冲区或者临界区的数目;
HANDLE	h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]; //生产者允许消费者开始消费的信号量;

//生产消费及辅助函数的声明
void  Produce(void *p);
void  Consume(void *p);	
bool  IfInOtherRequest(int);
int	  FindProducePositon();
int	  FindBufferPosition(int);

int    main(void)
{
	//声明所需变量;
	DWORD		wait_for_all;
	ifstream	inFile;

	//初始化缓冲区;
	for(int i=0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)
		Buffer_Critical[i] = -1;				
	//初始化每个线程的请求队列;
	for(int j=0;j<MAX_THREAD_NUM;j++){
		for(int k=0;k<MAX_THREAD_NUM;k++)
			Thread_Info[j].thread_request[k] = -1;
		Thread_Info[j].n_request = 0;
	}
	//初始化临界区;
	for(int i =0;i<MAX_BUFFER_NUM;i++) 
		InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]);

	//打开输入文件,按照规定的格式提取线程等信息;
	inFile.open("test.txt");
	//从文件中获得实际的缓冲区的数目;
	inFile >> n_Buffer_or_Critical;
	n_Buffer_or_Critical = inFile.get();
	printf("输入文件是:\n");
	//回显获得的缓冲区的数目信息;
	printf("%d \n",(int) n_Buffer_or_Critical);
	//提取每个线程的信息到相应数据结构中;
	while(inFile){
		inFile >> Thread_Info[n_Thread].serial;
		inFile >> Thread_Info[n_Thread].entity;
		inFile >> Thread_Info[n_Thread].delay;
		char c;
		inFile.get(c);
		while(c!='\n'&& !inFile.eof()){
			inFile>> Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++];
			inFile.get(c);	
		}
		n_Thread++;
	}  

	//回显获得的线程信息,便于确认正确性;	
	for(int j=0;j<(int) n_Thread;j++){
		int    Temp_serial  = Thread_Info[j].serial;
		char   Temp_entity  = Thread_Info[j].entity;
		double Temp_delay   = Thread_Info[j].delay;
		printf(" \n thread%2d    %c    %f   ",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);
		int Temp_request = Thread_Info[j].n_request;
		for(int k=0;k<Temp_request;k++)
			printf(" %d    ", Thread_Info[j].thread_request[k]);
		cout<<endl;
	}
	printf("\n\n");

	//创建在模拟过程中几个必要的信号量
	empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, 
		NULL);
	h_mutex	=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);

	//下面这个循环用线程的ID号来为相应生产线程的产品读写时所
	//使用的同步信号量命名;
	for(int j=0;j<(int)n_Thread;j++){  			
		std::string lp ="semaphore_for_produce_";
		int temp =j;
		while(temp){
			char c = (char)(temp%10);
			lp+=c;
			temp/=10;
		}
		h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,NULL);				
	}

	//创建生产者和消费者线程;
	for(int i =0;i< (int) n_Thread;i++){
		if(Thread_Info[i].entity =='P')
			h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),
			&(Thread_Info[i]),0,NULL);
		else
			h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),
			&(Thread_Info[i]),0,NULL);
	}

	//主程序等待各个线程的动作结束;
	wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);
	printf(" \n \n全部生产者和消费者都已完成它们的工作. \n");
	printf("按任意键返回!\n");
	_getch();
	return 0;
}

//确认是否还有对同一产品的消费请求未执行;
bool IfInOtherRequest(int req)
{
	for(int i=0;i<n_Thread;i++)
		for(int j=0;j<Thread_Info[i].n_request;j++)
			if(Thread_Info[i].thread_request[j] == req)
				return TRUE;

	return FALSE;
}

//找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置;
int	FindProducePosition()
{
	int EmptyPosition;
	for (int i =0;i<n_Buffer_or_Critical;i++)
		if(Buffer_Critical[i] == -1){
			EmptyPosition = i;
			//用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态;
			Buffer_Critical[i] = -2;
			break;
		}
		return  EmptyPosition;
}

//找出当前所需生产者生产的产品的位置;
int FindBufferPosition(int ProPos)
{
	int TempPos;
	for (int i =0 ;i<n_Buffer_or_Critical;i++)
		if(Buffer_Critical[i]==ProPos){
			TempPos = i;
			break;
		}
		return TempPos;
}

//生产者进程
void Produce(void *p)
{
	//局部变量声明;
	DWORD	wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
	int		m_serial;

	//获得本线程的信息;
	m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
	m_delay  = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);

	Sleep(m_delay);
	//开始请求生产
	printf("生产者 %2d 发送生产请求信号.\n",m_serial);

	//确认有空缓冲区可供生产,同时将空位置数empty减1;用于生产者和消费者的同步;
	wait_for_semaphore	=  WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);

	//互斥访问下一个可用于生产的空临界区,实现写写互斥;
	wait_for_mutex  = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);
	int  ProducePos = FindProducePosition();
	ReleaseMutex(h_mutex);

	//生产者在获得自己的空位置并做上标记后,以下的写操作在生产者之间可以并发执行;
	//核心生产步骤中,程序将生产者的ID作为产品编号放入,方便消费者识别;
	printf("生产者 %2d 开始在缓冲区 %2d 生产产品.\n",m_serial,ProducePos);
	Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;
	printf("生产者 %2d 完成生产过程 :\n ",m_serial);
	printf("	 缓冲区[ %2d ]:%3d \n" ,ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);
	//使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用,实现读写同步;
	ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);
}

//消费者进程
void Consume(void * p)
{
	//局部变量声明;
	DWORD	wait_for_semaphore,m_delay;
	int	m_serial,m_requestNum;		       //消费者线程的序列号和请求的数目;
	int	m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费者线程的请求队列;

	//提取本线程的信息到本地;
	m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
	m_delay  = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
	m_requestNum = ((ThreadInfo *)(p))->n_request;
	for (int i = 0;i<m_requestNum;i++)
		m_thread_request[i] = ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];

	Sleep(m_delay);	
	//循环进行所需产品的消费
	for(int i =0;i<m_requestNum;i++){   

		//请求消费下一个产品
		printf("消费者 %2d 请求消费 %2d 产品\n",m_serial,m_thread_request[i]);
		//如果对应生产者没有生产,则等待;如果生产了,允许的消费者数目-1;实现了读写同步;
		wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1); 

		//查询所需产品放到缓冲区的号		
		int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);	  

		//开始进行具体缓冲区的消费处理,读和读在该缓冲区上仍然是互斥的;
		//进入临界区后执行消费动作;并在完成此次请求后,通知另外的消费者本处请求已
		//经满足;同时如果对应的产品使用完毕,就做相应处理;并给出相应动作的界面提
		//示;该相应处理指将相应缓冲区清空,并增加代表空缓冲区的信号量;
		EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);
		printf("消费者 %2d 开始消费 %2d 产品 \n",m_serial,m_thread_request[i]);
		((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i] =-1;
		if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){
			Buffer_Critical[BufferPos] = -1;//标记缓冲区为空;
			printf("消费者 %2d 成功消费 %2d:\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
			printf("	 缓冲区[ %2d ]:%3d \n" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]);
			ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);
		}		
		else{
			printf("消费者 %2d 成功消费产品 %2d\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
		}
		//离开临界区
		LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

	}
}


实验题目: 生产者消费者(综合性实验) 实验环境: C语言编译器 实验内容: ① 由用户指定要产生的进程及其类别,存入进入就绪队列。    ② 调度程序从就绪队列中提取个就绪进程运行。如果申请的资源被阻塞则进入相应的等待队列,调度程序调度就绪队列中的个进程。进程运行结束时,会检查对应的等待队列,激活队列中的进程进入就绪队列。运行结束的进程进入over链表。重复这过程直至就绪队列为空。    ③ 程序询问是否要继续?如果要转直①开始执行,否则退出程序。 实验目的: 通过实验模拟生产者消费者之间的关系,了解并掌握他们之间的关系及其原理。由此增加对进程同步的问题的了解。 实验要求: 每个进程有个进程控制块(PCB)表示。进程控制块可以包含如下信息:进程类型标号、进程系统号、进程状态、进程产品(字符)、进程链指针等等。 系统开辟了个缓冲区,大小由buffersize指定。 程序中有三个链队列,个链表。个就绪队列(ready),两个等待队列:生产者等待队列(producer);消费者队列(consumer)。个链表(over),用于收集已经运行结束的进程 本程序通过函数模拟信号量的操作。 参考书目: 1)徐甲同等编,计算机操作系统教程,西安电子科技大学出版社 2)Andrew S. Tanenbaum著,陈向群,马红兵译. 现代操作系统(第2版). 机械工业出版社 3)Abranham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne著. 郑扣根译. 操作系统概念(第2版). 高等教育出版社 4)张尧学编著. 计算机操作系统教程(第2版)习题解答与实验指导. 清华大学出版社 实验报告要求: (1) 每位同学交份电子版本的实验报告,上传到202.204.125.21服务器中。 (2) 文件名格式为班级、学号加上个人姓名,例如: 电子04-1-040824101**.doc   表示电子04-1班学号为040824101号的**同学的实验报告。 (3) 实验报告内容的开始处要列出实验的目的,实验环境、实验内容等的说明,报告中要附上程序代码,并对实验过程进行说明。 基本数据结构: PCB* readyhead=NULL, * readytail=NULL; // 就绪队列 PCB* consumerhead=NULL, * consumertail=NULL; // 消费者队列 PCB* producerhead=NULL, * producertail=NULL; // 生产者队列 over=(PCB*)malloc(sizeof(PCB)); // over链表 int productnum=0; //产品数量 int full=0, empty=buffersize; // semaphore char buffer[buffersize]; // 缓冲区 int bufferpoint=0; // 缓冲区指针 struct pcb { /* 定义进程控制块PCB */ int flag; // flag=1 denote producer; flag=2 denote consumer; int numlabel; char product; char state; struct pcb * processlink; …… }; processproc( )--- 给PCB分配内存。产生相应的的进程:输入1为生产者进程;输入2为消费者进程,并把这些进程放入就绪队列中。 waitempty( )--- 如果缓冲区满,该进程进入生产者等待队列;linkqueue(exe,&producertail); // 把就绪队列里的进程放入生产者队列的尾部 void signalempty() bool waitfull() void signalfull() void producerrun() void comsuerrun() void main() { processproc(); element=hasElement(readyhead); while(element){ exe=getq(readyhead,&readytail); printf("进程%d申请运行,它是个",exe->numlabel); exe->flag==1? printf("生产者\n"):printf("消费者\n"); if(exe->flag==1) producerrun();
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