1 实验内容及要求

1、模拟生产者—消费者问题；
2、程序要添加适当的注释，程序的书写要采用缩进格式；
3、程序要具在一定的健壮性，即当输入数据非法时，程序也能适当地做出反应；
4、程序要做到界面友好，在程序运行时用户可以根据相应的提示信息进行操作。

2 实验环境

windows 10,Visual Studio 2019

3 实验设计

3.1 问题描述

假设生产者和消费者线程共享一个大小为5的缓冲区。生产者生成新的数字，插入到缓冲区中；消费者不断从缓冲区中取出这些数字。只有缓冲区没满时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则必须等待；只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，否则必须等待。

3.2 基本思想

3.2.1 生产者线程

生产者随机生产20个数据放入缓冲区。具体流程如下：

3.2.2 消费者线程

从缓冲区中取出20个数据。具体流程如下：

3.2.3 同步的实现

C++11中引入的用于多线程操作的thread类，以及线程互斥对象mutex，分别包含在头文件thread和mutex中，可以使生产者和消费者线程同步进行。

3.3 数据结构

定义一个类sbuf，用来构造生产者-消费者程序：

class sbuf {
private:
	int buffer[5];  //缓冲区大小为5
	int rear;       //指向数组最后一个元素
	mutex mu;       //互斥信号量
	int empty;      //空位数
	int full;       //满位数
public:
	void init();            //初始化
	void insert(int item);  //生产者像缓冲区放入产品
	void remove();          //消费者从缓冲区取出产品
	void display();         //显示缓冲区
};

在类中定义了大小为5的数组作为缓冲区，以及同步信号量empty/full和互斥信号量mu。

4 实验源码

1.sbuf.h

#include<iostream>
#include <Windows.h>
#include<mutex>

using namespace std;

class sbuf {
private:
	int buffer[5];  //缓冲区大小为5
	int rear;       //指向数组最后一个元素
	mutex mu;       //互斥信号量
	int empty;      //记录空位
	int full;       //记录占位
public:
	void init();            //初始化
	void insert(int item);  //放入产品
	void remove();          //取出产品
	void display();         //显示缓冲区
};

//初始化
void sbuf::init() {
	rear = -1;
	empty = 5;
	full = 0;
}

//放入产品
void sbuf::insert(int item) {
	while (1) {
		while (!empty) {}
		empty -= 1;             //P(empty)
		mu.lock();              //P(mutex)
		cout << "生产的数为:" << item << endl;
	    buffer[++rear] = item;  //产品放入缓冲区
		display();
	    mu.unlock();            //V(mutex)
	    full += 1;              //V(full)
		break;
	}
}

//取出产品
void sbuf::remove() {
	int item;
	while (1) {
		while (!full) {}
		full -= 1;              //P(full)
		mu.lock();              //P(mutex) 
		item=buffer[rear--];    //从缓冲区取出产品
		cout << "消费的数为:" << item << endl;
		display();
		mu.unlock();            //V(mutex)
		empty += 1;             //V(empty)
		break;
	}
}

//显示缓冲区
void sbuf::display() {
	cout << "缓冲区:";
	if (rear == -1)
		cout << "空" << endl;
	else {
		for (int i = 0; i <= rear; i++)
			cout << buffer[i]<<" ";
		cout << endl;
	}
	cout << endl;
}

2.exp1.cpp

#include"sbuf.h"
#include<iostream>
#include<random>
#include <time.h>
#include<thread>
#include <Windows.h>

using namespace std;

//生产者线程
void producer(sbuf* p) {  
    int item;
    uniform_int_distribution<unsigned> k(500, 1500);
    static uniform_int_distribution<unsigned> u(1, 100);
    static default_random_engine e(time(0));  //随机数引擎
    for (int i = 0; i < 20; i++) {     //生产20次
        item = u(e);
        p->insert(item);
        Sleep(k(e));
    }
}

//消费者线程
void consumer(sbuf* p) {
    uniform_int_distribution<unsigned> k(1000, 2000);
    default_random_engine v(time(0));    //随机数引擎
    for (int i = 0; i < 20; i++) {     //消费20次
        p->remove();
        Sleep(k(v));
    }
}

int main() {
    sbuf p;
    p.init();

    thread pro(producer, &p);    //创建生产者子线程
    thread con(consumer, &p);    //创建消费者子线程
    pro.join();                  //阻塞主线程
    con.join();                  //阻塞主线程

    cout << "结束！" << endl;
    
    return 0;
}

5 实验结果

实验结果截取一部分如下：

6 实验总结

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。并且初步掌握了利用C++11中std::thread类多线程编程。