芯耀
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9.3??實驗內容——“生產者消費者”實驗
1．實驗目的
“生產者消費者”問題是一個著名的同時性編程問題的集合。通過學習經典的“生產者消費者”問題的實驗，讀者可以進一步熟悉Linux中的多線程編程，并且掌握用信號量處理線程間的同步和互斥問題。
2．實驗內容
“生產者—消費者”問題描述如下。
有一個有限緩沖區(qū)和兩個線程：生產者和消費者。他們分別不停地把產品放入緩沖區(qū)和從緩沖區(qū)中拿走產品。一個生產者在緩沖區(qū)滿的時候必須等待，一個消費者在緩沖區(qū)空的時候也必須等待。另外，因為緩沖區(qū)是臨界資源，所以生產者和消費者之間必須互斥執(zhí)行。它們之間的關系如圖9.4所示。
圖9.4??生產者消費者問題描述
這里要求使用有名管道來模擬有限緩沖區(qū)，并且使用信號量來解決“生產者—消費者”問題中的同步和互斥問題。
3．實驗步驟
（1）信號量的考慮。
這里使用3個信號量，其中兩個信號量avail和full分別用于解決生產者和消費者線程之間的同步問題，mutex是用于這兩個線程之間的互斥問題。其中avail表示有界緩沖區(qū)中的空單元數，初始值為N；full表示有界緩沖區(qū)中非空單元數，初始值為0；mutex是互斥信號量，初始值為1。
（2）畫出流程圖。
本實驗流程圖如圖9.5所示。
圖9.5??“生產者—消費者”實驗流程圖
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（3）編寫代碼
本實驗的代碼中采用的有界緩沖區(qū)擁有3個單元，每個單元為5個字節(jié)。為了盡量體現(xiàn)每個信號量的意義，在程序中生產過程和消費過程是隨機（采取0～5s的隨機時間間隔）進行的，而且生產者的速度比消費者的速度平均快兩倍左右（這種關系可以相反）。生產者一次生產一個單元的產品（放入“hello”字符串），消費者一次消費一個單元的產品。
/*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"?????/*?緩沖區(qū)有名管道的名字?*/
#define?BUFFER_SIZE???????3????????????/*?緩沖區(qū)的單元數?*/
#define?UNIT_SIZE?????????5?????????????/*?每個單元的大小?*/
#define?RUN_TIME??????????30????????????/*?運行時間?*/
#define?DELAY_TIME_LEVELS?????5.0?????/*?周期的最大值?*/
int?fd;
time_t?end_time;
sem_t?mutex,?full,?avail;??????????????/*?3個信號量?*/
/*生產者線程*/
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操作信號量avail和mutex*/
??????????sem_wait(&avail);
??????????sem_wait(&mutex);
??????????printf("nProducer:?delay?=?%dn",?delay_time);
??????????/*生產者寫入數據*/
??????????if?((real_write?=?write(fd,?"hello",?UNIT_SIZE))?==?-1)
??????????{
???????????????if(errno?==?EAGAIN)
???????????????{
????????????????????printf("The?FIFO?has?not?been?read?yet.Please?try?latern");
???????????????}
??????????}
??????????else
??????????{
???????????????printf("Write?%d?to?the?FIFOn",?real_write);
??????????}
??????????
??????????/*V操作信號量full和mutex*/
??????????sem_post(&full);
??????????sem_post(&mutex);
?????}?????
?????pthread_exit(NULL);
}
/*?消費者線程*/
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操作信號量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("No?data?yetn");
???????????????}
??????????}
??????????printf("Read?%s?from?FIFOn",?read_buffer);
??????????/*V操作信號量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;
?????/*創(chuàng)建有名管道*/
?????if((mkfifo(MYFIFO,?O_CREAT|O_EXCL)?<?0)?&&?(errno?!=?EEXIST))
?????{
??????????printf("Cannot?create?fifon");
??????????return?errno;
?????}???????????????
?????/*打開管道*/
?????fd?=?open(MYFIFO,?O_RDWR);
?????if?(fd?==?-1)
?????{
??????????printf("Open?fifo?errorn");
??????????return?fd;
?????}?????
?????/*初始化互斥信號量為1*/
?????ret?=?sem_init(&mutex,?0,?1);
?????/*初始化avail信號量為N*/
?????ret?+=?sem_init(&avail,?0,?BUFFER_SIZE);
?????/*初始化full信號量為0*/
?????ret?+=?sem_init(&full,?0,?0);
?????if?(ret?!=?0)
?????{
??????????printf("Any?semaphore?initialization?failedn");
??????????return?ret;
?????}
?????/*創(chuàng)建兩個線程*/
?????ret?=?pthread_create(&thrd_prd_id,?NULL,?producer,?NULL);
?????if?(ret?!=?0)
?????{
??????????printf("Create?producer?thread?errorn");
??????????return?ret;
?????}
?????ret?=?pthread_create(&thrd_cst_id,?NULL,?customer,?NULL);
?????if(ret?!=?0)
?????{
??????????printf("Create?customer?thread?errorn");
??????????return?ret;
?????}
?????pthread_join(thrd_prd_id,?NULL);
?????pthread_join(thrd_cst_id,?NULL);
?????close(fd);
?????unlink(MYFIFO);
?????return?0;
}
?
4．實驗結果
運行該程序，得到如下結果：
$?./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
……
