【操作系统】操作系统实验02-生产者消费者程序改进

1. 说明文档中原有程序实现的功能、实现方法。（用语言、程序流程图、为原有程序添加注释等方式均可）

1.//const.h
2.//定义宏变量
3.#ifndef CONST_H
4.#define CONST_H
5.
6.#define TRUE 1
7.#define FALSE 0
8.#define ERROR 0
9.#define OVERFLOW -2
10.#define OK 1
11.#define MAXSIZE 20//队列中最多有20个元素
12.#define MAXLEN 100//字符串最大长度
13.
#endif

1.//Typedefine.h
2.//定义结构体
3.#ifndef TYPEDEFINE_H
4.#define TYPEDEFINE_H
5.
6.#include "const.h"
7.//字符串结构体
8.typedef struct{
9.	char data[MAXLEN];//数据
10.	int len;//数据长度，不算字符串结束字符”\0”
11.}SString;
12.//元素类型结构体
13.typedef struct{
14.	SString* strName;//数据
15.	long INumber;//号码
16.}Elemtype;
17.//结点结构体
18.typedef struct node{
19.	Elemtype data;//结点的数据域
20.	struct node *next;//结点的指针域，指向下一个结点地址
21.}SNode;
22.//队列结构体
23.typedef struct{
24.	Elemtype q[MAXSIZE];//存放队列元素
25.	int front;//队列头指针
26.	int rear;//队列尾指针，存放尾元素的下一个位置
27.}Queue;
28.//栈结构体
29.typedef struct st{
30.	Elemtype data[MAXSIZE];//存放栈元素
31.	int top;//栈顶指针
32.}Stack;
33.
34.typedef int BOOL;
35.typedef int Status;
36.
#endif

1.//Queue.h
2.//定义队列的相关函数
3.#ifndef QUEUE_H_LY
4.#define QUEUE_H_LY
5.
6.#include "Typedefine.h"
7.#include <stdbool.h>
8.
9.Queue *InitQueue();//初始化队列函数
10.int EnQueue(Queue *Q, Elemtype x);//入队函数
11.int DeQueue(Queue *Q, Elemtype *x);//出队函数
12.int QueueEmpty(Queue Q);//判断队列是否为空，非空返回0，空返回1
13.int QueueCount(Queue *HQ);//统计队列元素个数
14.bool QueueFull(Queue Q);//判断队列是否满，满返回 TRUE，非满返回 FALSE
15.
#endif

1.//Queue.c
2.//队列的相关函数实现代码
3.#include "stdio.h"
4.#include "malloc.h"
5.#include "const.h"
6.#include "Queue.h"
7.#include <stdbool.h>
8.//队列初始化函数
9.Queue *InitQueue(){
10.	Queue *Q = (Queue*)malloc(sizeof(Queue));//申请空间
11.	Q->front = Q->rear = 0;//头尾指针相等时说明队列为空
12.	return Q;//返回队列指针
13.}
14.//入队函数
15.int EnQueue(Queue *Q, Elemtype x){
16.	if((Q->rear + 1) % MAXSIZE == Q->front) return FALSE;//队满，入队失败，返回0
17.	else{
18.		Q->q[Q->rear] = x;//存放元素至队尾
19.		Q->rear = (Q->rear + 1) % MAXSIZE;//队列尾指针指向下一位
20.		return TRUE;
21.	}
22.}
23.//出队函数
24.int DeQueue(Queue *Q, Elemtype *x){
25.	if(Q->rear == Q->front) return FALSE;//队空，出队失败，返回0
26.	else{
27.		*x = Q->q[Q->front];//从队头取出元素
28.		Q->front = (Q->front + 1) % MAXSIZE;//队头指针指向下一位
29.		return TRUE;
30.	}
31.}
32.//判断队是否为空，非空返回0，空返回1
33.int QueueEmpty(Queue Q){
34.	if(Q.rear == Q.front) return TRUE;//队空
35.	else return FALSE;
36.}
37.//返回队列中的最后的一个元素
38.Elemtype Last(Queue *Q){
39.	Elemtype *prElem = NULL;
40.	Queue *prTempQueue;
41.	prTempQueue = InitQueue();//初始化一个新的临时队列，用于暂存数据
42.	while(QueueEmpty(*Q) == 1){//将Q中的元素依次取出放至prTempQueue中
43.		DeQueue(Q, prElem);
44.		EnQueue(prTempQueue, *prElem);
45.	}
46.	while(QueueEmpty(*prTempQueue) == 1){//将prTempQueue中的元素依次取出放至Q中
47.		DeQueue(prTempQueue, prElem);
48.		EnQueue(Q, *prElem);
49.	}
50.	return *prElem;//返回队列中的最后的一个元素
51.}
52.//判断队是否为满，满返回1，非满返回0
53.bool QueueFull(Queue Q){
54.	if(((Q.rear + 1) % MAXSIZE) == Q.front) return TRUE;//队满
55.	else return FALSE;
}

1.//exp1.c
2.//主程序，实现三个生产者与两个消费者问题
3.//在30s内，生产者把产品放入缓冲区，消费者从缓冲区中拿走产品，缓冲区空间定义为5，因为队列中元素最大值设为了20，所以无需考虑队列满情况。生产者在缓冲区满时必须等待，直到缓冲区有空间才继续生产；消费者在缓冲区空时必须等待，直到缓冲区中有产品才能继续读取。共有三个生产者与两个消费者线程，并将生产的商品放入队列中（商品编号从1000开始，最多放五个），根据先生产先消费的原则进行消费。
4.#include <stdio.h>
5.#include <stdlib.h>
6.#include <unistd.h>
7.#include <pthread.h>
8.#include <errno.h>
9.#include <sys/ipc.h>
10.#include <semaphore.h>
11.#include <fcntl.h>
12.#include "Queue.h"
13.#include "const.h"
14.#include "Queue.c"
15.
16.#define N 5//定义可用资源数量
17.
18.time_t end_time;
19.sem_t mutex, full, empty;
20.int fd;
21.Queue *qt;
22.Elemtype p;
23.void consumer(void *arg);
24.void productor(void *arg);
25.
26.int main(){
27.	pthread_t id1, id2, id3, id4, id5;//创建5个线程，分别对应三个生产者与两个消费者
28.	pthread_t mon_th_id;
29.	int ret;
30.	end_time = time(NULL) + 30;//程序执行30s停止
31.	qt = InitQueue();//初始化队列qt
32.	p.INumber = 1000;//号码从1000开始
33.	ret = sem_init(&mutex, 0, 1);//初使化互斥信号量mutex为１
34.	ret = sem_init(&empty, 0, N);//初使化empty信号量为N
35.
36.	ret = sem_init(&full, 0, 0);//初使化full信号量为０
37.	if(ret != 0) perror("sem_init");
38.
39.	ret = pthread_create(&id1, NULL, (void*)productor, NULL);//生产者线程1
40.	if(ret != 0) perror("pthread cread1");
41.
42.	ret = pthread_create(&id3, NULL, (void*)productor, NULL);//生产者线程3
43.	if(ret != 0) perror("pthread cread3");
44.
45.	ret = pthread_create(&id2, NULL, (void*)consumer, NULL);//消费者线程2
46.	if(ret != 0) perror("pthread cread2");
47.
48.	ret = pthread_create(&id5, NULL, (void*)productor, NULL);//生产者线程5
49.	if(ret != 0) perror("pthread cread5");
50.
51.	ret = pthread_create(&id4, NULL, (void*)consumer, NULL);//消费者线程4
52.	if(ret != 0) perror("pthread cread4");
53.
54.	pthread_join(id1, NULL);//等待生产者线程1结束
55.	pthread_join(id2, NULL);//等待消费者线程2结束
56.	pthread_join(id3, NULL);//等待生产者线程3结束
57.	pthread_join(id4, NULL);//等待消费者线程4结束
58.	pthread_join(id5, NULL);//等待生产者线程5结束
59.
60.	exit(0);
61.}
62.//生产者线程函数
63.void productor(void *arg){
64.	int i, nwrite;
65.	while(time(NULL) < end_time){//在规定时间内循环生产商品
66.		sem_wait(&empty);//empty信号量P操作
67.		sem_wait(&mutex);//互斥信号量P操作
68.		if(TRUE == QueueFull(*qt)){//队满不操作
69.			printf("Procuctor: buffer is full, please try to write later.\n");
70.		}
71.		else{//队不满
72.			EnQueue(qt, p);//入队
73.			printf("Productor: write [%d] to buffer\n",p.INumber);
74.			p.INumber++;//编号加一
75.		}
76.		sem_post(&full);//full信号量V操作
77.		sem_post(&mutex);//mutex信号量V操作
78.		sleep(1);
79.	}
80.}
81.
82.void consumer(void *arg){
83.	int nolock = 0;
84.	int ret, nread;
85.	Elemtype p2;
86.	while((time(NULL) < end_time) || (FALSE == (QueueEmpty(*qt)))){//在规定时间内或队列非空时，循环消费商品
87.		sem_wait(&full);//full信号量P操作
88.		sem_wait(&mutex);//互斥信号量P操作
89.		if(TRUE == QueueEmpty(*qt)){//队列空，不能消费
90.			printf("Consumer: the buffer is empty, please try to read later.\n");
91.		}
92.		else{//队列非空
93.			DeQueue(qt, &p2);//出队
94.			printf("Consumer: read [%d] from buffer.\n", p2.INumber);
95.		}
96.		sem_post(&empty);//empty信号量V操作
97.		sem_post(&mutex);//互斥信号量V操作
98.		sleep(2);
99.	}
}

2. 列出可改进的功能、实现方法等

可改进的功能：

1. 将代码整理，去除掉了冗余代码。
2. 显示缓冲区资源个数：创建全局变量n，统计生产者/消费者 生产/消费后缓冲区中剩余的资源个数，并予以显示。
3. 提示生产者/消费者线程结束语句，如：Productor 1 is killed。
4. 利用gettid()函数获得生产者、消费者的线程id，并显示是哪一个生产者/消费者 生产/消费 了哪一个商品。
5. 编写了display()函数，根据生产者/消费者的动作，可视化了缓冲区中的商品状况，使商品变化情况更加简单直观。
6. 利用for循环创建线程，实现可以自主输入想要创建的生产者与消费者个数（数值在1到10之间）、缓冲区大小（数值在1到20之间）与产品编号（数值在1到1000之间）。
7. 编写了print()函数，优化了终端可视化界面，可在界面中选择功能并自定义赋值，使程序运行更灵活直观。

实现方法：

1. 首先打印出终端可视化界面，让用户可以自主选择功能，可以进行自定义赋值、运行程序与退出系统操作，未进行自定义赋值的变量使用默认值。
2. 自定义赋值后运行程序，根据用户的赋值给变量赋值，并创建生产者、消费者线程，运行生产者、消费者函数。
3. 在生产者、消费者函数中，根据队列情况进行P、V操作与生产/消费操作，并利用gettid()函数获得生产者的线程id，显示是哪一个生产者/消费者 生产/消费了哪一件商品，并可视化生产/消费操作前后缓冲区中的产品变化情况与缓冲区中剩余的资源个数。
4. 运行规定时间后生产者/消费者线程结束，退出系统。

3. 详细说明已完成的改进，附上程序代码，改进处加注释（注意代码格式）

1.//const.h
2.
3.#ifndef CONST_H
4.#define CONST_H
5.#define TRUE 1
6.#define FALSE 0
7.#define MAXSIZE 20
8.#define MAXLEN 100
#endif

1.//Typedefine.h
2.
3.#ifndef TYPEDEFINE_H
4.#define TYPEDEFINE_H
5.#include "const.h"
6.
7.typedef struct{
8.	char data[MAXLEN];
9.	int len;
10.}SString;
11.
12.typedef struct{
13.	SString* strName;
14.	long INumber;
15.}Elemtype;
16.
17.typedef struct{
18.	Elemtype q[MAXSIZE];
19.	int front;
20.	int rear;
21.}Queue;
22.
#endif

1.//Queue.h
2.
3.#ifndef QUEUE_H_LY
4.#define QUEUE_H_LY
5.
6.#include "Typedefine.h"
7.#include <stdbool.h>
8.
9.Queue *InitQueue();
10.int EnQueue(Queue *Q, Elemtype x);
11.int DeQueue(Queue *Q, Elemtype *x);
12.int QueueEmpty(Queue Q);
13.bool QueueFull(Queue Q);
14.
#endif

1.//Queue.c
2.
3.#include "stdio.h"
4.#include "malloc.h"
5.#include "const.h"
6.#include "Queue.h"
7.#include <stdbool.h>
8.
9.Queue *InitQueue(){
10.	Queue *Q = (Queue*)malloc(sizeof(Queue));
11.	Q->front = Q->rear = 0;
12.	return Q;
13.}
14.
15.int EnQueue(Queue *Q, Elemtype x){
16.	if((Q->rear + 1) % MAXSIZE == Q->front) return FALSE;
17.	else{
18.		Q->q[Q->rear] = x;
19.		Q->rear = (Q->rear + 1) % MAXSIZE;
20.		return TRUE;
21.	}
22.}
23.
24.int DeQueue(Queue *Q, Elemtype *x){
25.	if(Q->rear == Q->front) return FALSE;
26.	else{
27.		*x = Q->q[Q->front];
28.		Q->front = (Q->front + 1) % MAXSIZE;
29.		return TRUE;
30.	}
31.}
32.
33.int QueueEmpty(Queue Q){
34.	if(Q.rear == Q.front) return TRUE;
35.	else return FALSE;
36.}
37.
38.bool QueueFull(Queue Q){
39.	if(((Q.rear + 1) % MAXSIZE) == Q.front) return TRUE;
40.	else return FALSE;
}

1.//exp1.c
2.
3.#include <stdio.h>
4.#include <stdlib.h>
5.#include <unistd.h>
6.#include <pthread.h>
7.#include <errno.h>
8.#include <sys/ipc.h>
9.#include <semaphore.h>
10.#include <fcntl.h>
11.#include "Queue.h"
12.#include "const.h"
13.#include "Queue.c"
14.#include <sys/syscall.h>//使用gettid()函数所需要的头文件 
15.#define gettid() syscall(__NR_gettid)//使用gettid()函数所需要的头文件
16.#include <string.h>
17.
18.time_t end_time;
19.sem_t mutex, full, empty;
20.Queue *qt;
21.Elemtype p;
22.int n = 0;//缓冲区中资源个数
23.int x = 2, y = 2;//生产者与消费者个数（默认值） 
24.int ret;
25.int N = 5;//缓冲区最大资源个数（默认值） 
26.
27.void consumer(void *arg);
28.void productor(void *arg);
29.void display();//可视化缓冲区中商品状况
30.void print();//终端可视化界面 
31.
32.int main(){
33.	p.INumber = 1;//产品初始编号（默认值） 
34.	while(1){
35.		print();//展示系统可视化选项 
36.		//接收用户需要的功能号
37.		char number[100]; 
38.		ret = scanf("%s", &number[0]);
39.        if(strlen(number)!=1 || ret != 1 || number[0] < '0' || number[0] > '5'){
40.            printf("\nplease input a number between 0 and 5!\n");
41.            continue;
42.        }
43.        int num = number[0] - '0';
44.        //输入想要创建的生产者个数，并确保数值在1到10之间
45.        if(num == 1){	
46.			do{
47.				printf("Please input the number of productor: ");
48.				ret = scanf("%d",&x);
49.				if(ret != 1 || x < 1 || x > 10){
50.					printf("Please ensure the input between 1 and 10\n");
51.				}
52.			}while(ret != 1 || x < 1 || x > 10); 
53.    	}
54.    	//输入想要创建的消费者个数，并确保数值在1到10之间
55.    	else if(num == 2){
56.    		do{
57.				printf("Please input the number of consumer: ");
58.				ret = scanf("%d",&y);
59.				if(ret != 1 || y < 1 || y > 10){
60.					printf("Please ensure the input between 1 and 10\n");
61.				}
62.			}while(ret != 1 || y < 1 || y > 10);
63.		}
64.		//输入想要创建的缓冲区大小，并确保数值在1到20之间
65.		else if(num == 3){
66.			do{
67.				printf("Please input the size of buffer: ");
68.				ret = scanf("%d",&N);
69.				if(ret != 1 || N < 1 || N > 20){
70.					printf("Please ensure the input between 1 and 20\n");
71.				}
72.			}while(ret != 1 || N < 1 || N > 20); 
73.		}
74.		//输入想要生产的产品的初始编号，并确保数值在1到1000之间
75.		else if(num == 4){
76.			do{
77.				printf("Please input the key of product: ");
78.				ret = scanf("%d",&p.INumber);
79.				if(ret != 1 || p.INumber < 1 || p.INumber > 1000){
80.					printf("Please ensure the input between 1 and 1000\n");
81.				}
82.			}while(ret != 1 || p.INumber < 1 || p.INumber > 1000); 
83.		}
84.		//运行程序 
85.		else if(num == 5){	 
86.			pthread_t id;
87.			end_time = time(NULL) + 10;
88.			qt = InitQueue();
89.			//p.INumber = 1000;
90.			ret = sem_init(&mutex, 0, 1);
91.			ret = sem_init(&empty, 0, N);
92.	
93.			ret = sem_init(&full, 0, 0);
94.			if(ret != 0) perror("sem_init");
95.			//创建线程
96.			for(int i = 0; i < x; i++){
97.				ret = pthread_create(&id, NULL, (void*)productor, NULL);
98.				if(ret != 0) perror("Productor pthread create");
99.			}
100.	
101.			for(int i = x; i < x + y; i++){
102.				ret = pthread_create(&id, NULL, (void*)consumer, NULL);
103.				if(ret != 0) perror("Consumer pthread create");
104.			}
105.			//等待线程结束 
106.			for(int i = 0; i < x; i++){
107.				pthread_join(id, NULL);
108.				printf("Productor %d is killed\n", i);//提示程序结束语句
109.			}
110.			for(int i = x; i < x + y; i++){
111.				pthread_join(id, NULL);
112.				printf("Consumer %d is killed\n", i);//提示程序结束语句
113.			}
114.			break;
115.		}
116.		//退出系统 
117.   	 	else if(num == 0){
118.   	        break;
119.   	    } 	
120.	}
121.	return 0;
122.}
123.
124.void productor(void *arg){
125.	while(time(NULL) < end_time){
126.		sem_wait(&empty);
127.		sem_wait(&mutex);
128.		if(TRUE == QueueFull(*qt)){
129.			printf("Productor pthread %u: buffer is full, please try to write later.\n", gettid()); 
130.		}
131.		else{
132.			EnQueue(qt, p);
133.			display();//可视化缓冲区
134.			n++;//缓冲区资源数加一 
135.			printf("------->");
136.			display();//可视化缓冲区
137.			printf("\n");
138.			printf("Productor pthread %u: write [%d] to buffer.\n", gettid(), p.INumber);//利用gettid()函数获得生产者的线程id，并显示是哪一个生产者生产了哪一件商品
139.			printf("There are %d left in buffer\n",n);//显示缓冲区中剩余的资源个数
140.			printf("--------------------------------------------------\n");//生产者/消费者动作分隔符 
141.			p.INumber++;
142.		}
143.		sem_post(&full);
144.		sem_post(&mutex);
145.		sleep(1);
146.	}
147.}
148.
149.void consumer(void *arg){
150.	Elemtype p2;
151.	while((time(NULL) < end_time) || (FALSE == (QueueEmpty(*qt)))){
152.		sem_wait(&full);
153.		sem_wait(&mutex); 
154.		if(TRUE == QueueEmpty(*qt)){
155.			printf("Consumer pthread %u: the buffer is empty, please try to read later.\n", gettid());
156.		}	
157.		else{
158.			DeQueue(qt, &p2);
159.			display();//可视化缓冲区
160.			n--;//缓冲区资源数减一
161.			printf("------->");
162.			display();//可视化缓冲区
163.			printf("\n");
164.			printf("Consumer pthread %u: read [%d] from buffer.\n", gettid(), p2.INumber);//利用gettid()函数获得消费者的线程id，并显示是哪一个消费者消费了哪一件商品
165.			printf("There are %d left in buffer\n",n);//显示缓冲区中剩余的资源个数
166.			printf("--------------------------------------------------\n");//生产者/消费者动作分隔符 
167.		}
168.		sem_post(&empty);
169.		sem_post(&mutex);
170.		sleep(2);
171.	}
172.}
173.//可视化缓冲区中的商品状况
174.void display(){
175.	printf("[");
176.	for(int i = n; i > 0; i--){
177.		printf(" P ");
178.	}
179.	printf("]");	
180.}
181.//终端可视化界面
182.void print()
183.{    
184.    printf("\n");
185.    printf("*********************************************************************************\n");
186.    printf("--------------------[ Producer Consumer Program Function Bar ]-------------------\n");
187.    printf("*********************************************************************************\n");
188.    printf("*  1.Enter the number of producers you want to create (default value is 2)      *\n");
189.    printf("*  2.Enter the number of consumers you want to create (default value is 2)      *\n");
190.    printf("*  3.Enter the buffer size you want to create (default value is 5)              *\n");
191.    printf("*  4.Enter the initial product number you want to produce (default value is 1)  *\n");
192.    printf("*  5.run the program                                                            *\n");
193.    printf("*  0.Exit the system                                                            *\n");
194.    printf("---------------------------------------------------------------------------------\n");
195.    printf("Please enter 0-5 to select a function: ");
}

4. 运行结果截图

（1）示例一，这次运行我们想将生产者改为2个，消费者改为4个，其余选项为默认值，运行程序。

中间略

（2）示例二，这次运行我们想将缓冲区大小改为7，商品初始编号改为300，其余选项为默认值，运行程序。

中间略

5. 总结

实验中遇到的问题与解决方法：

问题1：想要改进程序执行语句，使程序运行时能反映出具体是哪一位生产者/消费者 生产/消费 了哪一个商品。一开始我尝试在pthread_create()函数中给生产者/消费者函数传递生产者/消费者id变量，但是由于线程共享变量，无法在生产者-生产者、消费者-消费者之间作出区分。

解决方法：最终我决定使用gettid()函数获得生产者、消费者的线程id，作为每一位生产者/消费者的标志，来反映出具体是哪一位生产者/消费者 生产/消费 了商品。

问题2：在程序运行过程中，缓冲区中的产品变化并不能被很好的反映出来。

解决方法：我编写了display()函数，分别在生产/消费前后调用它，可视化了缓冲区中的商品状况。

问题3：程序不够灵活，并且界面对用户不够友好。想要实现用户能够简单自主地控制想要创建的生产者与消费者个数、缓冲区大小与产品编号。

解决方法：我使用了全局变量，在程序执行之初定义好默认值，并提供了与用户交互的接口，使用户能够自主改变程序运行的参数。编写了print()函数，优化了终端可视化界面，使用户能够自主选择想要改变何种参数，使程序运行更灵活直观。