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

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#defineMYFIFO"myfifo"/*缓冲区有名管道的名字*/

#defineBUFFER_SIZE3/*缓冲区的单元数*/

#defineUNIT_SIZE5/*每个单元的大小*/

#defineRUN_TIME30/*运行时间*/

#defineDELAY_TIME_LEVELS5.0/*周期的最大值*/

intfd;

time_tend_time;

sem_tmutex,full,avail;/*3个信号量*/

/*生产者线程*/

void*producer(void*arg)

{

intreal_write;

intdelay_time=0;

while(time(NULL)

{

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=%dn",delay_time);

/*生产者写入数据*/

if((real_write=write(fd,"hello",UNIT_SIZE))==-1)

{

if(errno==EAGAIN)

{

printf("TheFIFOhasnotbeenreadyet.Pleasetrylatern");

}

}

else

{

printf("Write%dtotheFIFOn",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)

{

unsignedcharread_buffer[UNIT_SIZE];

intreal_read;

intdelay_time;

while(time(NULL)

{

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=%dn",delay_time);

if((real_read=read(fd,read_buffer,UNIT_SIZE))==-1)

{

if(errno==EAGAIN)

{

printf("Nodatayetn");

}

}

printf("Read%sfromFIFOn",read_buffer);

/*V操作信号量avail和mutex*/

sem_post(&avail);

sem_post(&mutex);

}

pthread_exit(NULL);

}

intmain()

{

pthread_tthrd_prd_id,thrd_cst_id;

pthread_tmon_th_id;

intret;

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("Cannotcreatefifon");

returnerrno;

}

/*打开管道*/

fd=open(MYFIFO,O_RDWR);

if(fd==-1)

{

printf("Openfifoerrorn");

returnfd;

}

/*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("Anysemaphoreinitializationfailedn");

returnret;

}

/*创建两个线程*/

ret=pthread_create(&thrd_prd_id,NULL,producer,NULL);

if(ret!=0)

{

printf("Createproducerthreaderrorn");

returnret;

}

ret=pthread_create(&thrd_cst_id,NULL,customer,NULL);

if(ret!=0)

{

printf("Createcustomerthreaderrorn");

returnret;

}

pthread_join(thrd_prd_id,NULL);

pthread_join(thrd_cst_id,NULL);

close(fd);

unlink(MYFIFO);

return0;

}

4．实验结果

运行该程序，得到如下结果：

$./producer_customer

……

Producer:delay=3

Write5totheFIFO

Customer:delay=3

ReadhellofromFIFO

Producer:delay=1

Write5totheFIFO

Producer:delay=2

Write5totheFIFO

Customer:delay=4

ReadhellofromFIFO

Customer:delay=1

ReadhellofromFIFO

Producer:delay=2

Write5totheFIFO

……