DIY编程器网

标题: 多线程编程之：实验内容——“生产者消费者”实验 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-10 07:33
标题: 多线程编程之：实验内容——“生产者消费者”实验
9.3 实验内容——“生产者消费者”实验

1．实验目的

“生产者消费者”问题是一个著名的同时性编程问题的集合。通过学习经典的“生产者消费者”问题的实验，读者可以进一步熟悉Linux中的多线程编程，并且掌握用信号量处理线程间的同步和互斥问题。

2．实验内容

“生产者—消费者”问题描述如下。
有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别不停地把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外，因为缓冲区是临界资源，所以生产者和消费者之间必须互斥执行。它们之间的关系如图9.4所示。

图9.4 生产者消费者问题描述

这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并且使用信号量来解决“生产者—消费者”问题中的同步和互斥问题。

3．实验步骤

（1）信号量的考虑。
这里使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail表示有界缓冲区中的空单元数，初始值为N；full表示有界缓冲区中非空单元数，初始值为0；mutex是互斥信号量，初始值为1。

（2）画出流程图。
本实验流程图如图9.5所示。

图9.5 “生产者—消费者”实验流程图

（3）编写代码
本实验的代码中采用的有界缓冲区拥有3个单元，每个单元为5个字节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程是随机（采取0～5s的随机时间间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右（这种关系可以相反）。生产者一次生产一个单元的产品（放入“hello”字符串），消费者一次消费一个单元的产品。

/*producer-customer.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/ipc.h>

#define MYFIFO          "myfifo"    /* 缓冲区有名管道的名字 */
#define BUFFER_SIZE    3          /* 缓冲区的单元数 */
#define UNIT_SIZE       5          /* 每个单元的大小 */
#define RUN_TIME       30          /* 运行时间 */
#define DELAY_TIME_LEVELS    5.0    /* 周期的最大值 */

int fd;
time_t end_time;
sem_t mutex, full, avail;             /* 3个信号量 */

/*生产者线程*/
void *producer(void *arg)
{
      int real_write;
      int delay_time = 0;

      while(time(NULL) < end_time)
      {
            delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) / 2.0) + 1;
            sleep(delay_time);
            /*P操作信号量avail和mutex*/
            sem_wait(&avail);
            sem_wait(&mutex);
            printf("\nProducer: delay = %d\n", delay_time);
            /*生产者写入数据*/
            if ((real_write = write(fd, "hello", UNIT_SIZE)) == -1)
            {
               if(errno == EAGAIN)
               {
                     printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");
               }
            }
            else
            {
               printf("Write %d to the FIFO\n", real_write);
            }

            /*V操作信号量full和mutex*/
            sem_post(&full);
            sem_post(&mutex);
      }
      pthread_exit(NULL);
}
/* 消费者线程*/
void *customer(void *arg)
{
      unsigned char read_buffer[UNIT_SIZE];
      int real_read;
      int delay_time;

      while(time(NULL) < end_time)
      {
            delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1;
            sleep(delay_time);

            /*P操作信号量full和mutex*/
            sem_wait(&full);
            sem_wait(&mutex);
            memset(read_buffer, 0, UNIT_SIZE);
                     printf("\nCustomer: delay = %d\n", delay_time);

            if ((real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE)) == -1)
            {
               if (errno == EAGAIN)
               {
                     printf("No data yet\n");
               }
            }
            printf("Read %s from FIFO\n", read_buffer);
            /*V操作信号量avail和mutex*/
            sem_post(&avail);
            sem_post(&mutex);
      }
      pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
      pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;
      pthread_t mon_th_id;
      int ret;

      srand(time(NULL));
      end_time = time(NULL) + RUN_TIME;
      /*创建有名管道*/
      if((mkfifo(MYFIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) && (errno != EEXIST))
      {
            printf("Cannot create fifo\n");
            return errno;
      }
      /*打开管道*/
      fd = open(MYFIFO, O_RDWR);
      if (fd == -1)
      {
            printf("Open fifo error\n");
            return fd;
      }
      /*初始化互斥信号量为1*/
      ret = sem_init(&mutex, 0, 1);
      /*初始化avail信号量为N*/
      ret += sem_init(&avail, 0, BUFFER_SIZE);
      /*初始化full信号量为0*/
      ret += sem_init(&full, 0, 0);
      if (ret != 0)
      {
            printf("Any semaphore initialization failed\n");
            return ret;
      }
      /*创建两个线程*/
      ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL);
      if (ret != 0)
      {
            printf("Create producer thread error\n");
            return ret;
      }
      ret = pthread_create(&thrd_cst_id, NULL, customer, NULL);
      if(ret != 0)
      {
            printf("Create customer thread error\n");
            return ret;
      }
      pthread_join(thrd_prd_id, NULL);
      pthread_join(thrd_cst_id, NULL);
      close(fd);
      unlink(MYFIFO);
      return 0;
}

4．实验结果

运行该程序，得到如下结果：

$ ./producer_customer
……
Producer: delay = 3
Write 5 to the FIFO

Customer: delay = 3
Read hello from FIFO

Producer: delay = 1
Write 5 to the FIFO

Producer: delay = 2
Write 5 to the FIFO

Customer: delay = 4
Read hello from FIFO

Customer: delay = 1
Read hello from FIFO

Producer: delay = 2
Write 5 to the FIFO
……

欢迎光临 DIY编程器网 (http://diybcq.com/)