实验目的

分析进程的同步与互斥现象，编程实现经典的进程同步问题——生产者与消费者问题的模拟，进一步加深对进程同步与互斥的理解。

实验内容

用C语言实现对生产者与消费者问题的模拟。

实验原理

生产者和消费者是经典的进程同步问题，在这个问题中，生产者不断的向缓冲区中写入数据，而消费者则从缓冲区中读取数据。生产者进程和消费者对缓冲区的操作是互斥，即当前只能有一个进程对这个缓冲区进行操作，生产者进入操作缓冲区之前，先要看缓冲区是否已满，如果缓冲区已满，则它必须等待消费者进程将数据取出才能写入数据，同样的，消费者进程从缓冲区读取数据之前，也要判断缓冲区是否为空，如果为空，则必须等待生产者进程写入数据才能读取数据。

实验准备

实现步骤

分析计算机系统中对资源的分配与释放过程：计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。
定义生产者消费者问题中的各数据结构，并初始化信号量。
创建生产者与消费者进程，利用信号量实现生产者与消费者之间的同步与互斥；最后编程实现。

相关函数

在实现的过程中需要用到以下API函数：

CreateThread

CreateThread（）//该函数创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程。若线程创建成功，将返回该线程的句柄。

函数原型

HANDLE  CreateThread (
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, //描述安全性，用NULL表示使用缺省值
DWORD dwStackSize,//新线程拥有自己的堆栈，0表示使用缺省值1MB，推荐
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, //新线程的起始地址，放线程函数名称
LPVOID lpParameter，//此值被传送到线程函数去作为参数
DWORD dwCreationFlags,//允许产生一个暂时挂起的线程，默认是0立即开始执行
LPDWORD lpThreadld );//新线程的ID被传到这

用法举例

hHandle1 = CreateThread( (LPSECURITY_ATTRIBUTES) NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadName1,(LPVOID) NULL,0, &dwThreadID1 );

CreateMutex

CreateMutex（）函数可用来创建一个有名或无名的互斥量对象，函数返回值为互斥对象的句柄。其函数原型为：

HANDLE CreateMutex(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, // 指向安全属性的指针，为NULL时，信号量得到一个默认的安全描述
BOOL bInitialOwner, // 初始化互斥对象的所有者
LPCTSTR lpName); // 指向互斥对象名

用法举例

handle g_hMutex;
g_hMutex   =   CreateMutex(NULL,FALSE,”mutexname1”);

ReleaseMutex

ReleaseMutex（）该函数放弃指定互斥对象的拥有权。每使用一次，MUTEX引用计数自加1；

函数原型

BOOL ReleaseMutex(
HANDLE hMutex //想要释放的信号量句柄
)；
HANDLE hHandle1=NULL;
BOOL rc;
rc = ReleaseMutex(hHandle1);

CreateSemaphore

CreateSemaphore（）是创建信号量，返回信号量对象的句柄。

函数原型

HANDLE CreateSemaphore(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // 安全属性指针
LONG lInitialCount, // 初始计数
LONG lMaximumCount, // 最大计数
LPCTSTR lpName // 对象名
);

用法举例

static HANDLE hHandle1=NULL;
hHandle1=CreateSemaphore(NULL,0,1,"SemaphoreName1");

ReleaseSemaphore

ReleaseSemaphore（）是增加信号量

函数原型

BOOL ReleaseSemaphore(
HANDLE hSemaphore, // 信号量句柄
LONG lReleaseCount, // 计数递增数量
LPLONG lpPreviousCount // 先前计数
);

用法举例

HANDLE hHandle1=NULL;
BOOL rc;
rc=ReleaseSemaphore(hHandle1,1,NULL);

WaitForSingleObject

WaitForSingleObject 函数功能：（用来检测handle事件的信号状态）当如下情况之一发生时该函数返回：指定对象处于信号态；超时。

函数原型

DWORD WaitForSingleObject(
HANDLE hHandle，//等待对象的线程HANDLE，或者仅仅是一个句柄，如信号量
DWORD dwMilliseconds //如果输入INFINITE，则无穷等待，直到HANDLE激活为止
)；

用法举例

static HANDLE hHandle1=NULL;
DWORD dRes,;
dRes=WaitForSingleObject(hHandle1,INFINITE);

Sleep

Sleep函数功能：该函数对于指定的时间间隔挂起当前的执行线程。

函数原型

VOID Sleep(DWORD dwMilliseconds)；
//里面填入要挂起的时间间隔，以毫秒为单位

实验过程

源代码

#include <windows.h>
#include <iostream>
using namespace std;
const int   SIZE_OF_BUFFER   =  5;   //缓冲区长度
int   ProductID   =   0;         //生产的产品号
int   ConsumeID   =   0;         //将被消耗的产品号
int   in   =   0;             //产品进缓冲区时的缓冲区下标
int   out   =   0;             //产品出缓冲区时的缓冲区下标   int   g_buffer[SIZE_OF_BUFFER];         //缓冲区是个循环队列
bool   g_continue   =   true;             //控制程序结束
HANDLE   g_hMutex;               //用于线程间的互斥
HANDLE   g_hFullSemaphore;           //当缓冲区满时迫使生产者等待
HANDLE   g_hEmptySemaphore;           //当缓冲区空时迫使消费者等待   //生产一个产品。把新生产的产品放入缓冲区
void   Produce()
{   cout<<"生产了一个产品:"<<++ProductID<<endl;g_buffer[in]   = ProductID;   in   =   (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;   //输出缓冲区当前的状态   for   (int   i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){   cout   <<   i   <<":   "   <<   g_buffer[i];   if   (i==in)   cout   <<   "   <--   生产";   if   (i==out)   cout   <<   "   <--   消费";   cout   <<   endl;   }cout   <<   endl;
}   //从缓冲区中取出一个产品，消耗一个产品
void   Consume()
{   cout<<"消耗了一个产品:"<<g_buffer[out]<<endl;g_buffer[out]=0;       out   =   (out+1)%SIZE_OF_BUFFER;   //输出缓冲区当前的状态   for   (int   i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){   cout   <<   i   <<":   "   <<   g_buffer[i];   if   (i==in)   cout   <<   "   <--   生产";   if   (i==out)   cout   <<   "   <--   消费";   cout   <<   endl;   } cout   <<   endl;
} //生产者线程
DWORD     WINAPI   Producer(LPVOID   lpPara)
{   while(g_continue){   WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE);    //申请空缓冲区WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);             //互斥访问缓冲区Produce();   Sleep(2000);   ReleaseMutex(g_hMutex);   ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);   }   return   0;
}   //消费者线程
DWORD     WINAPI   Consumer(LPVOID   lpPara)
{   while(g_continue){   WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);   WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);   Consume();   Sleep(2000);   ReleaseMutex(g_hMutex);   ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);   }   return   0;
} int   main()
{   //创建各个互斥和同步信号   g_hMutex   =   CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);   g_hFullSemaphore   =   CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER,NULL);   g_hEmptySemaphore   =   CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER,SIZE_OF_BUFFER,NULL);   //调整生产者线程和消费者线程的个数，看看结果有何不同。const   int   PRODUCERS_COUNT   =   6;     //生产者的个数   const   int   CONSUMERS_COUNT   =   2;     //消费者的个数   //总的线程数   const   int   THREADS_COUNT   =   PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;   HANDLE   hThreads[THREADS_COUNT];   //各线程的handle   DWORD   producerID[PRODUCERS_COUNT];   //生产者线程的标识符   DWORD   consumerID[CONSUMERS_COUNT];   //消费者线程的标识符   //创建生产者线程   for   (int   i=0;i<PRODUCERS_COUNT;++i){   hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);   if   (hThreads[i]==NULL)   return   -1;   }   //创建消费者线程   for   (int   j=0;j<CONSUMERS_COUNT;++j){   hThreads[PRODUCERS_COUNT+j]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[j]);   if   (hThreads[j]==NULL)   return   -1;   }   while(g_continue){   if(getchar()){   //按回车后终止程序运行   g_continue   =   false;   }   }   return   0;
}

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