操作系统
实验报告
哈尔滨工程大学
计算机科学与技术学院
一、实验概述
1. 实验名称进程的同步
2.实验目的
（1）使用 EOS 的信号量编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义。
（2）调试跟踪 EOS 的信号量的工作过程，理解进程同步的原理。
（3）修改 EOS 的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。
3. 实验类型验证，设计
4. 实验内容
（1）准备实验
（2）使用EOS的信号量解决生产者－消费者问题
（3）调试EOS信号量的工作过程
（4）修改EOS的信号量算法
在目前创建的EOS Kernel项目的ps/semaphore.c文件中，PsWaitForSemaphore函数的Milliseconds参数只能是INFINITE，PsReleaseSemaphore函数的ReleaseCount参数只能是1。现在要求同时修改PsWaitForSemaphore函数和PsReleaseSemaphore函数中的代码，使这两个参数能够真正起到作用，使信号量对象支持等待超时唤醒功能和批量释放功能。
二、实验环境
EOS操作系统和OS Lab集成实验环境
三、实验过程
1.生产者在生产了13号产品后本来要继续生产14号产品，可此时生产者为什么必须等待消费者消费了4号产品后，才能生产14号产品呢？生产者和消费者是怎样使用同步对象来实现该同步过程的呢？
答：缓冲区只有十个空间，现在消费比生产慢，此时分别装了4到13号产品，而消费者只消费了3个。此时装入产品与产品的存储空间成为直接相互制约关系，在消费者消费了下一个产品之前生产者不能继续装入。因此，可解释生产者
为什么必须等待消费者消费了4号产品后，才能生产14号产品。
2.绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。
（1）PsWaitForSemaphore函数的流程图。
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（2）PsReleaseSemaphore函数的流程图
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3.修改EOS的信号量算法
（1）对PsWaitForSemaphore的修改
PsWaitForSemaphore(
IN PSEMAPHORE Semaphore,
IN ULONG Milliseconds
)
/*++
功能描述：
信号量的Wait 操作（P 操作）。
参数：
Semaphore -- Wait 操作的信号量对象。
Milliseconds -- 等待超时上限，单位毫秒。
返回值：
STATUS_SUCCESS。
当你修改信号量使之支持超时唤醒功能后，如果等待超时，应该返回STATUS_TIMEOUT。
--*/
{
STATUS value;
BOOL IntState;
ASSERT(KeGetIntNesting() == 0); // 中断环境下不能调用此函数。
IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); // 开始原子操作，禁止中断。
//
// 目前仅实现了标准记录型信号量，不支持超时唤醒功能，所以PspWait 函数
// 的第二个参数的值只能是INFINITE。
//
if (Semaphore->Count > 0) {
Semaphore->Count--;
Status = STATUS_SUCCESS;
}
else {
Status = PspWait(&Semaphore->WaitListHead, Milliseconds);
}
KeEnableInterrupts(IntState); // 原子操作完成，恢复中断。
return Status;
}
（2）对PsReleaseSemaphore的修改
PsReleaseSemaphore(
IN PSEMAPHORE Semaphore,
IN LONG ReleaseCount,
OUT PLONG PreviousCount
)
/*++
功能描述：
信号量的Signal 操作（V 操作）。
参数：
Semaphore -- Wait 操作的信号量对象。
ReleaseCount -- 信号量计数增加的数量。当前只能为1。当你修改信号量使之支持
超时唤醒功能后，此参数的值能够大于等于1。
PreviousCount -- 返回信号量计数在增加之前的值。
返回值：
如果成功释放信号量，返回STATUS_SUCCESS。
--*/
{
STATUS Status;
BOOL IntState;
INT i=0;
IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); // 开始原子操作，禁止中断。
if (Semaphore->Count + ReleaseCount > Semaphore->MaximumCount) { Status = STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED;
} else {
//
// 记录当前的信号量的值。
//
if (NULL != PreviousCount) {
*PreviousCount = Semaphore->Count;
}
//
// 目前仅实现了标准记录型信号量，每执行一次信号量的释放操作
// 只能使信号量的值增加1。
//
/*Semaphore->Count++;
if (Semaphore->Count <= 0) {
PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead,
STATUS_SUCCESS);
}*/
//i是被阻塞进程的数量
while(i { if(ListIsEmpty(&Semaphore->WaitListHead)) break; i++; PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead, STATUS_SUCCESS); } if(i>=Releasecount) Semaphore->Count=0; if(i Semaphore->Count=ReleaseCount-i+(Semaphore->Count); // // 可能有线程被唤醒，执行线程调度。 // PspThreadSchedule(); Status = STATUS_SUCCESS; } KeEnableInterrupts(IntState); // 原子操作完成，恢复中断。 return 0; } （3）对Producer函数的修改 ULONG Producer(PVOID Param) { int i; int InIndex = 0; for (i = 0; i < PRODUCT_COUNT; i++) { while(WAIT_TIMEOUT == WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, 300)){ printf("Producer wait for empty semaphore timeout\n"); } WaitForSingleObject(MutexHandle, INFINITE); printf("Produce a %d\n", i); Buffer[InIndex] = i; InIndex = (InIndex + 1) % BUFFER_SIZE; ReleaseMutex(MutexHandle); ReleaseSemaphore(FullSemaphoreHandle, 1, NULL); // // 休息一会。每 500 毫秒生产一个数。 // Sleep(500); } return 0; } （4）对Consumer函数的修改 ULONG Consumer(PVOID Param) { int i; int OutIndex = 0; for (i = 0; i < PRODUCT_COUNT; i += 2) { while(WAIT_TIMEOUT == WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, 300)){ printf("Consumer wait for full semaphore timeout\n"); } while(WAIT_TIMEOUT == WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, 300)){ printf("Consumer wait for full semaphore timeout\n"); } WaitForSingleObject(MutexHandle, INFINITE); printf("\t\t\tConsume a %d\n", Buffer[OutIndex]); OutIndex = (OutIndex + 1) % BUFFER_SIZE; printf("\t\t\tConsume a %d\n", Buffer[OutIndex]); OutIndex = (OutIndex + 1) % BUFFER_SIZE; ReleaseMutex(MutexHandle); ReleaseSemaphore(EmptySemaphoreHandle, 2, NULL); // // 休息一会儿。让前 14 个数的消费速度比较慢，后面的较快。 // if (i < 14) { Sleep(2000); } else { Sleep(100); } } return 0; } 四、实验体会 相对于前几次的实验，这次试验时间比较紧迫，在一次课的时间内安排得满满的，最后没有时间给老师检查。这次课我们练习了进程的同步，课堂上老师讲的就很生动，而且老师也强调过这部分是个重点也是个难点，所以这次上机练习我也很重视，一步一步按照实验指导上的内容操作，最后也得到了想要的结果。这节课虽然时间紧张，但是感觉过得很充实。 目录 一、课程设计目的及要求 (1) 二、相关知识 (1) 三、题目分析 (2) 四、概要设计 (4) 五、代码及流程 (5) 六、运行结果 (11) 七、设计心得 (12) 八、参考文献 (12) 一、课程设计目的及要求 读者与写者问题（进程同步问题） 用n 个线程来表示n个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件的要求，进行读写操作。请用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的读者-写者问题。 读者-写者问题的读写操作限制： 1）写-写互斥； 2）读-写互斥； 3）读-读允许； 写者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一写者在等待访问共享资源，则该读者必须等到没有写者处于等待状态后才能开始读操作。 二、相关知识 Windows API： 在本实验中涉及的API 有： 1线程控制： CreateThread 完成线程创建，在调用进程的地址空间上创建一个线程，以执行指定的函数；它的返回值为所创建线程的句柄。 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // SD DWORD dwStackSize, // initial stack size LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // thread function LPVOID lpParameter, // thread argument DWORD dwCreationFlags, // creation option LPDWORD lpThreadId // thread identifier ); 2 ExitThread 用于结束当前线程。 VOID ExitThread( DWORD dwExitCode // exit code for this thread ); 3Sleep 可在指定的时间内挂起当前线程。 VOID Sleep( DWORD dwMilliseconds // sleep time ); 4信号量控制： WaitForSingleObject可在指定的时间内等待指定对象为可用状态； DWORD WaitForSingleObject( HANDLE hHandle, // handle to object DWORD dwMilliseconds // time-out interval ); 实验二（2）进程同步 一、实验目的 1、生产者-消费者问题是很经典很具有代表性的进程同步问题，计算机中的很多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题，通过本实验的练习，希望能加深学生对进程同步问题的认识与理解。 2、熟悉VC的使用，培养和提高学生的分析问题、解决问题的能力。 二、实验内容及其要求 1．实验内容 以生产者/消费者模型为依据，创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。 2．实验要求 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； 三、实验算法分析 1、实验程序的结构图（流程图）； 2、数据结构及信号量定义的说明； (1) CreateThread ●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程 ●格式 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParamiter, DWORD dwCreationFlags, Lpdword lpThread ); ●参数说明 lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。dwStackSize——定义原始堆栈大小。 lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。 lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。 dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。 lpThread——保存线程标志符(32位) (2) CreateMutex ●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象 ●格式 HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, BOOL bInitialOwner, LPCTSTR lpName); bInitialOwner——指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马 ●参数说明 lpMutexAttributes——必须取值NULL。上加锁)。 lpName——互斥量名称。 (3) CreateSemaphore ●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象 ●格式 HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName ); ●参数说明 lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。 第二章进程管理 1.操作系统主要是对计算机系统全部 (1) 进行管理，以方便用户、提高计算机使 用效率的一种系统软件。它的主要功能有：处理机管理、存储管理、文件管理、 (2) 管 理和设备管理等。Windows和Unix是最常用的两类操作系统。前者是一个具有图形界面的 窗口式的 (3) 系统软件，后者是一个基本上采用 (4) 语言编制而成的 的系统软件。在 (5) 操作系统控制下，计算机能及时处理由过程控制反馈的信息 并作出响应。 供选答案： (1): A. 应用软件 B. 系统软硬件 C. 资源 D. 设备 (2): A. 数据 B. 作业 C. 中断 D. I/O (3): A. 分时 B. 多任务 C. 多用户 D. 实时 (4): A. PASCAL B. 宏 C. 汇编 D. C (5): A. 网络 B. 分时 C. 批处理 D. 实时 答案：CBBDD 2.操作系统是对计算机资源进行的 (1) 系统软件，是 (2) 的接口。 在处理机管理中，进程是一个重要的概念，它由程序块、 (3) 和数据块三部 分组成，它有3种基本状态，不可能发生的状态转换是 (4) 。 虚拟存储器的作用是允许程序直接访问比内存更大的地址空间，它通常使用 (5) 作为它的一个主要组成部分。 供选答案： (1): A. 输入和输出 B. 键盘操作 C. 管理和控制 D. 汇编和执行 (2): A. 软件和硬件 B. 主机和外设 C. 高级语言和机器语言 D. 用户和计算机 (3): A. 进程控制块 B. 作业控制块 C. 文件控制块 D. 设备控制块 (4): A. 运行态转换为就绪态 B. 就绪态转换为运行态 C. 运行态转换为等待态 D. 等待态转换为运行态 (5): A. 软盘 B. 硬盘 C. CDROM D. 寄存器 答案：CDADB 3.在计算机系统中，允许多个程序同时进入内存并运行，这种方法称为 D。 A. Spodling技术 B. 虚拟存储技术 C. 缓冲技术 D. 多道程序设计技术 4.分时系统追求的目标是 C。 A. 高吞吐率 B. 充分利用内存 C. 快速响应 D. 减少系统开销 5.引入多道程序的目的是 D。 实验二进程同步算法模拟 一、实验目的 1、模拟设计一种进程调度过程：FCFS、短作业优先、高响应比优 先（任选其一）。 2、算法代码实现，模拟数据演示，模拟结果验证。 二、实验学时 4课时 三、实验环境与平台 Windows 2000, C/C++程序开发集成环境(开发语言可自选) 四、实验内容及要求 1、实验内容：（1）自定义PCB的数据结构；（2）针对资源分配 中出现的问题，选择适合的算法，实现资源的合理分配。 2、实验要求：（1）完成规定的实验内容；（2）在实验之前，利 用课外时间浏览帮助文件的相关主题内容；（3）实验时保存程序代码；（4）写出实验报告.(实验目的、实验时间、实验设备和实验环境平台、完成的实验内容、实验结果和结论)。 五、完成的实验内容 下例是用C语言编写，用TC2.0调试结果 六、实现代码如下： #include "stdio.h" #define getjcb(type) (type*)malloc(sizeof(type)) #define NULL 0 int n=0,time=0;float eti,ewi; struct jcb{ char name[10]; /* 作业名 */ char state; /* 作业状态 */ int ts; /* 提交时间 */ float super; /* 优先权 */ int tb; /* 开始运行时间 */ int tc; /* 完成时间 */ float ti; /* 周转时间 */ float wi; /* 带权周转时间 */ int ntime; /* 作业所需运行时间 */ char resource[10]; /* 所需资源 */ struct jcb *link; /* 结构体指针 */ } *p,*q,*head=NULL; typedef struct jcb JCB; inital(){ int i; printf("\nInput jcb num\n"); scanf("%d",&n); printf("Input\nname\tts\tntime\tresource\n"); for(i=0;i 山东大学操作系统实验报告4进程同步实验 计算机科学与技术学院实验报告 实验题目：实验四、进程同步实验学号： 日期：20120409 班级：计基地12 姓名： 实验目的： 加深对并发协作进程同步与互斥概念的理解，观察和体验并发进程同步与互斥 操作的效果，分析与研究经典进程同步与互斥问题的实际解决方案。了解 Linux 系统中 IPC 进程同步工具的用法，练习并发协作进程的同步与互斥操作的编程与调试技术。 实验内容： 抽烟者问题。假设一个系统中有三个抽烟者进程，每个抽烟者不断地卷烟并抽烟。抽烟者卷起并抽掉一颗烟需要有三种材料：烟草、纸和胶水。一个抽烟者有烟草，一个有纸，另一个有胶水。系统中还有两个供应者进程，它们无限地供应所有三种材料，但每次仅轮流提供三种材料中的两种。得到缺失的两种材料的抽烟者在卷起并抽掉一颗烟后会发信号通知供应者，让它继续提供另外的两种材料。这一过程重复进行。请用以上介绍的 IPC 同步机制编程，实现该问题要求的功能。 硬件环境： 处理器：Intel? Core?i3-2350M CPU @ 2.30GHz ×4 图形：Intel? Sandybridge Mobile x86/MMX/SSE2 内存：4G 操作系统：32位 磁盘：20.1 GB 软件环境： ubuntu13.04 实验步骤： （1）新建定义了producer和consumer共用的IPC函数原型和变量的ipc.h文件。 （2）新建ipc.c文件，编写producer和consumer 共用的IPC的具体相应函数。 （3）新建Producer文件，首先定义producer 的一些行为，利用系统调用，建立共享内存区域，设定其长度并获取共享内存的首地址。然后设定生产者互斥与同步的信号灯，并为他们设置相应的初值。当有生产者进程在运行而其他生产者请求时，相应的信号灯就会阻止他，当共享内存区域已满时，信号等也会提示生产者不能再往共享内存中放入内容。 （4）新建Consumer文件，定义consumer的一些行为，利用系统调用来创建共享内存区域，并设定他的长度并获取共享内存的首地址。然后设定消费者互斥与同步的信号灯，并为他们设置相应的初值。当有消费进程在运行而其他消费者请求时，相应的信号灯就会阻止它，当共享内存区域已空时，信号等也会提示生产者不能再从共享内存中取出相应的内容。 运行的消费者应该与相应的生产者对应起来，只有这样运行结果才会正确。 1、测量控制系统中的数据采集任务把所采集的数据送一单缓冲区；计算任务则从该缓冲区中取出数据并进行计算。试写出利用信号量机制实现两者共享单缓冲区的同步算法。 Var Sempty，Sfull: semaphore:= 1,0 Begin Parbegin Collection:begin repeat 采集一个数据； wait(Sempty); 数据放入缓冲区； signal(Sfull); untill false; end; Compute:begin repeat wait(Sfull); 从缓冲区取出数据; signal(Sempty); 计算; ` until false; end; Parend End 2、有一阅览室，共有100个座位。读者进入时必须先在一种登记表上登记，该表为每一座位列一个表目，包括座号和读者姓名。读者离开时要注销掉登记内容。试用wait和signal原语描述读者进程的同步问题。 var mutex, readcount :semaphore := 1,100; Begin Parbegin Process Reader:begin repeat wait(readcount); wait(mutex); <填入座号和姓名完成登记>； signal(mutex); <阅读> wait(mutex) <删除登记表中的相关表项，完成注销> signal(mutex); signal(readcount); until false; end; parend; End; 1）、桌上有一空盘，只允许放一个水果，爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放桔子；女儿专吃盘中的苹果，儿子专吃盘中的桔子；试用wait 和signal原语实现爸爸、妈妈、女儿、儿子之间的同步问题。 var Sempty, Sapple, Sorange,: semaphore:= 1,0,0; begin parbegin Father: begin repeat wait(Sempty); 实验三进程同步的经典算法 背景知识 Windows提供的常用对象可分成三类：核心应用服务、线程同步和线程间通讯。其中，开发人员可以使用线程同步对象来协调线程和进程的工作，以使其共享信息并执行任务。此类对象包括互锁数据、临界段、事件、互斥体和信号等。 多线程编程中关键的一步是保护所有的共享资源，工具主要有互锁函数、临界段和互斥体等；另一个实质性部分是协调线程使其完成应用程序的任务，为此，可利用内核中的事件对象和信号。 在进程内或进程间实现线程同步的最方便的方法是使用事件对象，这一组内核对象允许一个线程对其受信状态进行直接控制(见表3-1) 。 而互斥体则是另一个可命名且安全的内核对象，其主要目的是引导对共享资源的访问。拥有单一访问资源的线程创建互斥体，所有想要访问该资源的线程应该在实际执行操作之前获得互斥体，而在访问结束时立即释放互斥体，以允许下一个等待线程获得互斥体，然后接着进行下去。 与事件对象类似，互斥体容易创建、打开、使用并清除。利用CreateMutex() API可创建互斥体，创建时还可以指定一个初始的拥有权标志，通过使用这个标志，只有当线程完成了资源的所有的初始化工作时，才允许创建线程释放互斥体。 为了获得互斥体，首先，想要访问调用的线程可使用OpenMutex() API来获得指向对象的句柄；然后，线程将这个句柄提供给一个等待函数。当内核将互斥体对象发送给等待线程时，就表明该线程获得了互斥体的拥有权。当线程获得拥有权时，线程控制了对共享资源的访问——必须设法尽快地放弃互斥体。放弃共享资源时需要在该对象上调用ReleaseMute() API。然后系统负责将互斥体拥有权传递给下一个等待着的线程(由到达时间决定顺序) 。 李建伟版实用操作系统第二版最新习题 3 进程同步与通信 一、选择题 题号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案A D D C B C A B A A 题号11 12 答案D C 二、综合题 1、答：临界资源也称独占资源、互斥资源，它是指某段时间内只充许一个进程使用的资源。比如打印机等硬件资源，以及只能互斥使用的变量、表格、队列等软件资源。各个进程中访问临界资源的、必须互斥执行的程序代码段称为临界区，各进程中访问同一临界资源的程序代码段必须互斥执行。 为防止两个进程同时进入临界区,可采用软件解决方法或同步机构来协调它们。但是,不论是软件算法还是同步机构都应遵循下述准则: ①空闲让进。②忙则等待。③有限等待。④让权等待。 2、答：忙等待意味着一个进程正在等待满足一个没有闲置处理器的严格循环的条件。因为只有一个CPU 为多个进程服务，因此这种等待浪费了CPU 的时钟。 其他类型的等待：与忙等待需要占用处理器不同，另外一种等待则允许放弃处理器。如进程阻塞自己并且等待在合适的时间被唤醒。忙等可以采用更为有效的办法来避免。例如：执行请求（类似于中断）机制以及PV 信号量机制，均可避免“忙等待”现象的发生。 3、答： 在生产者—消费者问题中，Producer 进程中P（empty）和P(mutex)互换先后次序。先 执行P(mutex)，假设成功，生产者进程获得对缓冲区的访问权，但如果此时缓冲池已满，没有空缓冲区可供其使用，后续的P（empty）原语没有通过，Producer 阻塞在信号量empty 上,而此时mutex 已被改为0，没有恢复成初值1。切换到消费者进程后,Consumer 进程执行P（full）成功，但其执行P（mutex）时由于Producer 正在访问缓冲区，所以不成功，阻塞在信号量mutex 上。生产者进程和消费者进程两者均无法继续执行，相互等待对方释放资源，会产生死锁。 在生产者和消费者进程中，V 操作的次序无关紧要，不会出现死锁现象。 4、答： 计算机操作系统实验报告题目三大经典问题之生产者与消费者问题 一、课程设计的性质与任务 1、加深对并发协作进程同步与互斥概念的理解。通过编写程序实现进程同步和互斥，使学生掌握有关进程（线程）同步与互斥的原理，以及解决进程（线程）同步和互斥的算法，从而进一步巩固进程（线程）同步和互斥等有关的内容。 2、掌握进程和线程的概念，进程（线程）的控制原语或系统调用的使用。 3、了解Windows2000/XP中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。学习使用Windows2000/XP中基本的同步对象，掌握相应的 API函数。 4、培养学生能够独立进行知识综合，独立开发较大程序的能力。 5、培养提高学生软件开发能力和软件的调试技术。 6、培养学生开发大型程序的方法和相互合作的精神。 7、培养学生的创新意识。 8、培养学生的算法设计和算法分析能力。 9、培养学生对问题进行文字论述和文字表达的能力。 二、课程设计的内容及其要求 在Windows?XP、Windows?2000等操作系统下，使用的VC、VB、Java或C等编程语言，采用进程（线程）同步和互斥的技术编写程序实现生产者消费者问题或哲学家进餐问题或读者-写者问题或自己设计一个简单进程（线程）同步和互斥的实际问题。 要求：（1）经调试后程序能够正常运行。 （2）采用多进程或多线程方式运行，体现了进程（线程）同步互斥的关系。 （3）程序界面美观。 三、实验原理 本实验要求利用PV操作实现解决生产者——消费者问题中的同步问题。此问题描述的是一群生产者进程在生产产品并将这些产品提供给消费者进程去消费，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池，生产者进程将它所生产的产品放入一个缓冲区，消费者进程可从缓冲区中取走产品去消费，但它们之间必须保持同步，即不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品，也不允许生产者进程向一个已装满且尚未取出的缓冲区中投放产品，并且生产者消费者互斥使用缓冲区。 四、实验原理图 五、算法实现 （1）有一个生产者线程ProduceThread，有1个消费者进程CustomerThread；缓冲区为shareList。 （2）使用线程同步：用synchonized关键字（加锁）使得一个时间内只能有一个线程得到执行，另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块；wait()让线程进入等待状态；notify（）函数唤醒一个处于等待状态的线程。 程序将一直循环运行） （3） 第二章进程同步 一、选择最合适的答案 1. 用P、V操作管理临界区时，信号量的初值一般应定义为（）。 A.–1 B.0 C.1 D.任意值 2. 有m个进程共享同一临界资源，若使用信号量机制实现对一临界资源的互斥访问，则信号量的变化范围是（）。 A.1至–(m-1) B.1至m-1 C.1至–m D.1至m 3. 在下面的叙述中，正确的是（）。 A.临界资源是非共享资源 B.临界资源是任意共享资源 C.临界资源是互斥共享资源 D.临界资源是同时共享资源 4. 对进程间互斥地使用临界资源，进程可以（） A.互斥地进入临界区 B.互斥地进入各自的临界区 C.互斥地进入同一临界区 D.互斥地进入各自的同类资源的临界区 5. 设两个进程共用一个临界资源的互斥信号量mutex，当mutex＝1时表示（）。 A.一个进程进入了临界区，另一个进程等待 B.没有一个进程进入临界区 C.两个进程都进入了临界区 D.两个进程都在等待 6. 设两个进程共用一个临界资源的互斥信号量mutex，当mutex＝-1时表示（）。 A.一个进程进入了临界区，另一个进程等待 B.没有一个进程进入临界区 C.两个进程都进入了临界区 D.两个进程都在等待 7．当一进程因在记录型信号量S上执行P(S)操作而被阻塞后，S的值为（）。 A.>0 B.<0 C.≥0 D.≤0 8．当一进程因在记录型信号量S上执行V(S)操作而导致唤醒另一进程后，S的值为（）。 A.>0 B.<0 C.≥0 D.≤0 9．如果信号量的当前值为-4，则表示系统中在该信号量上有（）个进程等待。 A.4 B.3 C.5 D.0 10．若有4个进程共享同一程序段，而且每次最多允许3个进程进入该程序段，则信号量的变化范围是（）。 A. 3，2，1，0 B. 3，2，1，0，-1 C. 4，3，2，1，0 D. 2，1，0，-1，-2 11．若信号S的初值为2，当前值为-1，则表示有( )个等待进程？ A.0 B.1 C.2 D.3 12．如果有三个进程共享同一互斥段，而且每次最多允许两个进程进入该互斥段，则信号量的初值应设置为（）。 A. 3 B. 1 C. 2 D. 0 13．并发进程之间（） A.彼此无关 B.必须同步 C.必须互斥 D.可能需要同步或互斥 进程同步练习题 1.在公共汽车上，司机和售票员的工作流程如图所示。为保证乘客的安全，司机和售票员应密切配合协调工作。请用信号量来实现司机与售票员之间的同步。 司机 售票员 图司机和售票员工作流程图 2.桌子上有一只盘子，盘子中只能放一只水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，一个儿子专等吃盘子中的橘子，一个女儿专等吃盘子中的苹果。用PV操作实现他们之间的同步机制。 3.a，b两点之间是一段东西向的单行车道，现要设计一个自动管理系统，管理规则如下：（1）当ab之间有车辆在行驶时同方向的车可以同时驶入ab段，但另一方向的车必须在ab 段外等待； （2）当ab之间无车辆在行驶时，到达a点（或b点）的车辆可以进入ab段，但不能从a 点和b点同时驶入； （3）当某方向在ab段行驶的车辆驶出了ab段且暂无车辆进入ab段时，应让另一方向等待的车辆进入ab段行驶。 请用信号量为工具，对ab段实现正确管理以保证行驶安全。 4．将只读数据的进程称为“读者”进程，而写或修改数据的进程称为“写者”进程。允许多个“读者”同时读数据，但不允许“写者”与其他“读者”或“写者”同时访问数据。另外，要保证：一旦有“写者”等待时，新到达的“读者”必须等待，直到该“写者”完成数据访问为止。试用P、V操作正确实现“读者”与“写者”的同步。（第二类读者写者问题，信号量解决方法） 5．一条河上架设了由若干个桥墩组成的一座桥。若一个桥墩只能站一个人，过河的人只能沿着桥向前走而不能向后退。过河时，只要对岸无人过，就可以过。但不允许河对岸的两个人同时过，以防止出现死锁。请给出两个方向的人顺利过河的同步算法。 实验三：进程同步实验 一、实验任务： （1）掌握操作系统的进程同步原理； （2）熟悉linux的进程同步原语； （3）设计程序，实现经典进程同步问题。 二、实验原理： （1）P、V操作 PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下： P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1； ②如果S30，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。 V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。（2）信号量 信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。 一般来说，信号量S30时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S 的值加1；若S￡0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。 （3）linux的进程同步原语 ①wait()；阻塞父进程，子进程执行； ②#include 1、有一个仓库可存放A、B两种零件，最大库容量各为m个。生产车间不断地取A和B 进行装配，每次各取一个。为避免零件锈蚀，按先入库者先出库的原则。有两组供应商分别不断地供应A和B，每次一个。为保证配套和合理库存，当某种零件比另一种零件超过n(n 实验进程同步与互斥 一、实验目的 1．掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。 2．学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。 3．了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。 二、实验内容及要求 1．实验内容 以生产者/消费者模型为依据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。 2．实验要求 ●学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则； ●学习了解Windows同步对象及其特性； ●熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法； ●设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； ●提交实验报告。 三、相关知识介绍 1．同步对象 同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体，包括信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界区(Critical Section)和事件(Events)等。本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。 同步对象的使用步骤： ●创建/初始化同步对象。 ●请求同步对象，进入临界区(互斥量上锁)。 ●释放同步对象(互斥量解锁)。 这些对象在一个线程中创建，在其他线程中都可以使用，实现同步与互斥。 2．相关API的功能及使用 我们利用Windows SDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有Windows SDK的所有工具和定义。要使用这些API，需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API调用还需要包含其他头文件)。 下面给出的是本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍。 (1) CreateThread ●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程 ●格式 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, 操作系统 实验报告 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 第四讲进程的同步 一、实验概述 1. 实验名称 进程的同步 2. 实验目的 使用EOS的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义。 调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。 修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。 3. 实验类型 验证＋设计 4. 实验内容 （1）准备实验 （2）使用EOS的信号量解决生产者－消费者问题 （3）调试EOS信号量的工作过程 （4）修改EOS的信号量算法 二、实验环境 EOS操作系统和OS Lab集成实验环境，主要运用了C语言。 三、实验过程 3. 需要解决的问题及解答 (1)P143，生产者在生产了13号产品后本来要继续生产14号产品，可此时生产者为什么必须等待消费者消费了4号产品后，才能生产14号产品呢？生产者和消费者是怎样使用同步对象来实现该同步过程的呢？ 这是因为临界资源的限制。临界资源就像产品仓库，只有“产品仓库”空闲生产者才能生产东西，有权向里面放东西。因此它必须要等到消费者，取走产品，临界资源空闲时，才能继续生产14号产品。 （2）P147-四思考与练习-2. 绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。 5. 源程序并附上注释 #include "psp.h" VOID PsInitializeSemaphore( IN PSEMAPHORE Semaphore, IN LONG InitialCount, IN LONG MaximumCount ) /*++ 功能描述：初始化信号量结构体。 参数：Semaphore -- 要初始化的信号量结构体指针。 InitialCount -- 信号量的初始值，不能小于0 且不能大于MaximumCount。 MaximumCount -- 信号量的最大值，必须大于0。 返回值：无。 {ASSERT(InitialCount >= 0 && InitialCount <= MaximumCount && MaximumCount > 0); Semaphore->Count = InitialCount; Semaphore->MaximumCount = MaximumCount; ListInitializeHead(&Semaphore->WaitListHead);} STATUS 进程同步练习题 1. 在公共汽车上，司机和售票员的工作流程如图所示。为保证乘客的安全，司机和售票员应密切配合协调工作。请用信号量来实现司机与售票员之间的同步。 司机 售票员 图司机和售票员工作流程图 2. 桌子上有一只盘子，盘子中只能放一只水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，一个儿子专等吃盘子中的橘子，一个女儿专等吃盘子中的苹果。用PV操作实现他们之间的同步机制。 3. a，b两点之间是一段东西向的单行车道，现要设计一个自动管理系统，管理规则如下：（1）当ab之间有车辆在行驶时同方向的车可以同时驶入ab段，但另一方向的车必须在ab 段外等待； （2）当ab之间无车辆在行驶时，到达a点（或b点）的车辆可以进入ab段，但不能从a 点和b点同时驶入； （3）当某方向在ab段行驶的车辆驶出了ab段且暂无车辆进入ab段时，应让另一方向等待的车辆进入ab段行驶。 请用信号量为工具，对ab段实现正确管理以保证行驶安全。 4．将只读数据的进程称为“读者”进程，而写或修改数据的进程称为“写者”进程。允许多个“读者”同时读数据，但不允许“写者”与其他“读者”或“写者”同时访问数据。另外，要保证：一旦有“写者”等待时，新到达的“读者”必须等待，直到该“写者”完成数据访问为止。试用P、V操作正确实现“读者”与“写者”的同步。（第二类读者写者问题，信号量解决方法） 5．一条河上架设了由若干个桥墩组成的一座桥。若一个桥墩只能站一个人，过河的人只能沿着桥向前走而不能向后退。过河时，只要对岸无人过，就可以过。但不允许河对岸的两个人同时过，以防止出现死锁。请给出两个方向的人顺利过河的同步算法。 操作系统进程同步实验报告 实验三：进程同步实验 一、实验任务： （1）掌握操作系统的进程同步原理； （2）熟悉linux的进程同步原语； （3）设计程序，实现经典进程同步问题。 二、实验原理： （1）P、V操作 PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下： P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1； ②如果S30，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。 V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。（2）信号量 信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作 来改变。 一般来说，信号量S30时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S￡0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。 （3）linux的进程同步原语 ①wait()；阻塞父进程，子进程执行； ②#include 进程同步练习 1．有一阅览室，共有100个座位。读者进入时必须先在一张登记表上登记，该表为每一座位列一表目，包括座号和读者姓名。读者离开时要消掉登记内容。试用P、V操作描述读者进程的同步结构。 var mutex : semaphere;信号量，用于互斥 full : semaphere; 信号量，用于同步 table : array 0..n-1 of item; 登记表 procedure reader; 读者进程 begin P(full); P(mutex); Register_name(table)； V(mutex); Reading； P(mutex); Delet_name(table); V(mutex); V(full) end; begin seminitsal,1; ,100); 初始化 cobegin reader; reader; ... coend end. 2．设公共汽车上有一位司机和一位售票员，它们的活动如下： 售票员： 动车辆售票 正常行车开车门 到站停车关车门 请分析司机与售票员之间的同步关系，如何用PV 操作实现。 答：为了安全起见，显然要求：关车门后才能启动车辆；到站停车后才能开车门。所以司机和售票员在到站、开门、关门、启动车辆这几个活动之间存在着同步关系。用两个信号量S1、S2分别表示可以开车和可以开门，S1的初值为1，S2的初值为0。用PV操作实现司机进程和售票员进程同步的算法描述如下： 售票员： （S1）售票 动车辆P（S2） 正常行车开车门 到站停车关车门 V（S2）V（S1） 另外，程序中PV操作出现的顺序与信号量的初值设置有关，以本题为例，算法如下描述时，S1、S2的初值均应为0。 售票员：操作系统OS报告读者与写者问题(进程同步问题)
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