1. 问题描述及需求分析 以生产者-消费者模型为基础，在 Windows 环境下创建一个控制台进程 （或者界面进程），在该进程中创建读者写者线程模拟生产者和消费者。写 者线程写入数据，然后将数据放置在一个空缓冲区中供读者线程读取。读者 线程从缓冲区中获得数据，然后释放缓冲区。当写者线程写入数据时，如果 没有空缓冲区可用，那么写者线程必须等待读者线程释放出一个空缓冲区。 当读者线程读取数据时，如果没有满的缓冲区，那么读入线程将被阻塞，直 到新的数据被写进去。 2. 实验设计 缓冲区是临界资源，不论是生产者还是消费者访问临界资源的时候都需 要互斥的访问。 对于访问临界资源必须有个互斥信号量 mutex，其初始值为 1，表示可以访问。 对于临界资源的访问不分生产者还是消费者，都是一个 进程访问临界资源的时候其他进程需要等待。 生产者与消费者是互相合作的关系，我们为完成某种任务而建立多个进 程，这些进程因为要在某些位置上协调他们的工作次序而等待，比如说 A 进 程要工作必须等待 B 进程的一个结果，如果仅仅是 A 进程单方面的需要 B 进 程的一个结果，那这张制约关系就是 A 制约 B 的，如果同时 B 进程的工作也 需要 A 进程工作的结果，那么就是 A 与 B 互相制约了。 生产者-消费者问题里的同步关系我认为是 A 与 B 互相制约的情况，因为 生产者要生产的前提是缓冲区没满，而缓冲区没满是消费者运行后的结果， 同样消费者要运行的前提是缓冲区不空，而缓冲区不空是生产者不断生成的 结果。本题的同步关系需要两个信号量。一个是消费者通知生产者是否可以 生产的“缓冲区空”信号量 empty，一个是生产者通知消费者要消费的“缓 冲区满”信号量 full。 3. 实验代码 #include #include #include #include using namespace std; #define STD __stdcall #define LENGTH 20 

#define GETMYRAND() (int)(((double)rand()/(double)RAND_MAX)*300) //使用临界区来同步线程 CRITICAL_SECTION _cr; //空信号量 HANDLE emptySemaphore = NULL; //满信号量 HANDLE fullSemaphore = NULL; //缓冲区 Buffer vector buffer; //计划生产数 int planNum=20; //实际生产数 int num = 0; // 消费者线程 DWORD STD Consumer(void* lp) { while(true) { //等待判断缓冲区满的信号量 WaitForSingleObject(fullSemaphore,0xFFFFFFFF); //进入临界区，线程同步，功能同互斥量 EnterCriticalSection(&_cr); //消费者线程从缓冲区中取出消费一个资源 buffer.pop_back(); //打印当前缓冲区可用资源数 cout << "消费者消费资源，缓冲区资源：" << buffer.size() << endl; //离开临界区 LeaveCriticalSection(&_cr); //释放判断缓冲区空的信号量 ReleaseSemaphore(emptySemaphore,1,NULL); //线程睡眠随机时间 Sleep(GETMYRAND()); 

} return 0; } // 生产者线程 DWORD STD Producer(void* lp) { while(num < planNum){ //等待判断缓冲区空的信号量 WaitForSingleObject(emptySemaphore, 0xFFFFFFFF); //进入临界区，线程同步，功能同互斥量 EnterCriticalSection(&_cr); //生产者线程向缓冲区中生成一个资源 buffer.push_back(1); num++; //打印当前缓冲区可用资源数 cout << "生产者生产资源，缓冲区资源：" << buffer.size() << endl; //离开临界区 LeaveCriticalSection(&_cr); //释放判断缓冲区满的信号量 ReleaseSemaphore(fullSemaphore, 1, NULL); //线程睡眠随机时间 Sleep(GETMYRAND()); if(num == planNum){ cout << "\n 生产者已经完成计划生产数：" << num <<"\n"<< endl; } } } return 0; int main() { //创建信号量 

emptySemaphore = CreateSemaphore(NULL, LENGTH, LENGTH, NULL); fullSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, LENGTH, NULL); //初始化临界区 InitializeCriticalSection(&_cr); //开启多线程 HANDLE handles[3]; handles[2] = CreateThread(0, 0, &Producer, 0, 0, 0); handles[1] = CreateThread(0, 0, &Producer, 0, 0, 0); handles[0] = CreateThread(0, 0, &Consumer, 0, 0, 0); //等待子线程执行完毕 WaitForMultipleObjects(3, handles, true, INFINITE); //"Join" trreads //释放子线程 CloseHandle(handles[0]); CloseHandle(handles[1]); CloseHandle(handles[2]); //释放临界区 DeleteCriticalSection(&_cr); return 0; } 4. 实验结果与分析 

实验过程: 1、首先创建空、满缓冲区信号量 2、初始化临界区（P(mutex)和 V(mutex)之间） 3、创建生产者，消费者子线程（2 个生产者，1 个消费者） 4、在判断缓冲区为空时向缓冲区存入商品 5、在判断缓冲区为满时从缓冲区中拿出商品 6、每一轮执行存入或拿出商品都显示缓冲区资源数 7、释放生产者、消费者子线程 8、释放临界区 因为有多个线程的生产者和消费者，所以第一个生产者发现生产数目达 到计划生产数后，其他生产者还会继续判断缓冲区是否已经满的信息但是发 现总生产数已经达到计划生产数，就再次显示出生产者已经完成计划生产数 的提示。 程序中的 P(mutex)和 V(mutex)必须成对出现，夹在两者之间的代码段是 临界区；施加于信号量 empty 和 full 上的 PV 操作也必须成对出现，但分别 位于不同的程序中。在这个问题中，P 操作的次序是很重要的，如果把生产 者进程中的两个 P 操作交换次序，那么，当缓冲区中存满 k 件产品（empty=0， mutex=1，full=k）时，生产者又产生一件产品，在它预想缓冲区存放时，将 在 P(mutex)上等待，由于此时 mutex=0，它已经占有缓冲区，这是消费者欲 取产品将停留在 P(mutex)上而得不到使用缓冲区的权力。这就导致生产者永 远等待消费者取走产品，而消费者却在等待生产者释放缓冲区过得占有权， 这种相互之间的等待永远不可能结束。所以，在使用信号量和 PV 操作实现进 程同步时，要特别当心 P 操作的次序，而 V 操作的次序无关紧要。一般来说， 用于互斥的信号量上的 P 操作总在后面执行。 5. 实验心得 通过本次实验，我对生产者-消费者问题的相关知识有了更加深刻的理解， 进一步掌握了进程的同步的相关概念，理解了利用信号量机制解决进程同步 问题的基本方法。队列和链表在 C++中是可以直接用已经有的模板的。消费 者要是能放到缓冲区里就看生产者等待队列里有没有人，有人就唤醒一个生 产者。要是缓冲区只有 1 那么大，最终完成链表中必定是生产者和消费者交 替，这是一个验证程序对错的方法。可以定义两个互斥信号量 mutex1 和 mutex2 来代替 mutex，他们分别用于多个生产者和多个消费者工作时的各自 互斥，这样可以使生产者-消费者问题的并发性进一步提高。