操作系统-进程同步

集美大学计算机工程学院实验报告课程名称：操作系统指导教师：王丰实验成绩：实验编号：实验三实验名称：进程同步班级：计算12姓名：学号：上机实践日期：2015.5上机实践时间：2学时一、实验目的1、掌握用Linux信号灯集机制实现两个进程间的同步问题。

2、共享函数库的创建二、实验环境Ubuntu-VMware、Linux三、实验内容⏹需要的信号灯: System V信号灯实现☐用于控制司机是否可以启动车辆的的信号灯 S1=0☐用于控制售票员是否可以开门的信号灯 S2=0System V信号灯实现说明□ System V的信号灯机制属于信号灯集的形式, 一次可以申请多个信号灯.□同样利用ftok()生成一个key： semkey=ftok(path,45);□利用key申请一个包含有两个信号灯的信号灯集, 获得该集的idsemid=semget(semkey,2,IPC_CREAT | 0666);□定义一个联合的数据类型union semun{int val;struct semid_ds *buf;ushort *array;};□利用semctl()函数对信号灯初始化,参数有:信号灯集的id: semid要初始化的信号灯的编号:sn要设定的初始值:valvoid seminit(int semid, int val,int sn){union semun arg;arg.val=val;semctl(semid,sn,SETVAL,arg);}利用初始化函数,初始化信号灯:seminit(semid,0,0);//用来司机启动汽车的同步seminit(semid,0,1);//用来售票员开门的同步控制□利用semop()函数, 对信号灯实现V操作:sembuf是一个在头部文件中的预定义结构、semid—信号灯集id, sn—要操作的信号灯编号void semdown(int semid,int sn){/* define P operating*/struct sembuf op;op.sem_num=sn;op.sem_op=-1;//P操作为-1op.sem_flg=0;semop(semid,&op,1);}2、Linux的静态和共享函数库·Linux生成目标代码： gcc -c 源程序文件名（将生成一个与源程序同名的.o目标代码文件。

进程间同步的几种方法进程间同步是指两个或多个进程之间进行协调，以确保它们能够正确地执行。

这是多任务操作系统中的重要问题，因为进程之间共享资源，包括内存、文件和网络连接等。

进程同步的关键是确保一组进程在处理共享资源时，能够避免发生竞态条件（Race Condition）和死锁（Deadlock）。

竞态条件指多个进程同时访问共享资源，导致不正确的结果。

死锁指多个进程互相等待，导致它们都无法继续执行。

1. 互斥锁互斥锁是最常见的同步方法之一，它被用来保护共享资源，确保同一时刻只有一个进程可以访问它。

当一个进程获取了锁，其他进程必须等待，直到锁被释放。

在 POSIX 系统中，互斥锁可以通过 pthread_mutex_t 数据类型实现。

我们可以使用pthread_mutex_init() 函数初始化锁，使用 pthread_mutex_lock() 函数获取锁，使用pthread_mutex_unlock() 函数释放锁。

下面是一个例子，展示了如何使用互斥锁同步两个进程对共享变量的访问：```c#include <pthread.h>#include <stdio.h>int count = 0;pthread_mutex_t lock;void *increment(void *arg) {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {pthread_mutex_lock(&lock); // 获取锁count++;pthread_mutex_unlock(&lock); // 释放锁}return NULL;}在上面的例子中，我们创建了两个线程，它们分别对共享变量 count 进行了一百万次的递增操作。

我们使用了互斥锁来保护 count 变量，确保同一时刻只有一个线程可以访问它。

2. 信号量3. 条件变量条件变量可以被用来支持更高级的同步机制，如互斥锁和信号量。

操作系统的进程同步机制操作系统是计算机透过硬件资源调度软件资源的重要软件工具，而进程是操作系统的一个重要概念，是计算机为了执行运算而分配的一段正在运行或待执行的代码。

当多个进程必须使用同一资源时，需要进行进程同步才能保证计算机的工作效率。

本文将介绍进程同步的概念、原理，以及目前使用的进程同步机制。

一、进程同步1.概念进程同步是指在多个进程同时访问共享资源时，为保证各进程操作正确、同步所采用的一种协调机制。

进程同步是指保护共享资源，使多个进程能够协同工作，避免执行发生冲突和竞争，从而保证计算机系统的稳定、安全和正确运行。

2.原理进程之间的相互影响有时会导致竞争条件，即多个进程试图同时访问同一资源，这会导致数据的不一致或破坏进程状态的可能性。

进程同步的目的是让多个进程能够按照一定顺序依次访问共享资源。

进程同步的基本原理是互斥原则，即同一时间只能有一个进程使用共享资源。

在保证临界资源的线程互斥和取消进程死锁的前提下，能够利用操作系统提供的同步机制解决竞争关系。

二、进程同步机制进程同步机制是解决多个进程访问共享资源的有效途径。

常见的进程同步机制有以下五种：1.临界区临界区是竞争资源最经常使用的同步技术，所有进程必须相互协调在公共资源中访问共享数据，这样的公共区域成为临界区。

每次只有一个进程能够进入临界区，而其他进程必须等到该进程离开临界区后，才能进入公共区域。

临界区的具体实现：在进入临界区时，设置“占用”标记；在离开临界区时，设置“空闲”标记。

如果进程试图进入一段已经被占据的代码，就会进入等待状态，直到“空闲”标记再次被设置为止。

2.信号量信号量是由荷兰计算机科学家E.W. Dijkstra提出的同步工具，是一个用于进程通信的系统级对象，它可以被进程通过两种操作进行访问：P操作（wait）和V操作（signal）。

P操作：当信号量S大于0时，对信号量S执行一次锁操作。

V操作：释放对S资源的锁定，将S增加1。

操作系统：进程同步基本概念在 Os 中引⼊进程后，虽然提⾼了资源的利⽤率和系统的吞吐量，但由于进程的异步性，也会给系统造成混乱，尤其是在他们争⽤临界资源时。

例如，当多个进程去争⽤⼀台打印机时，有可能使多个进程的输出结果交织在⼀起，难于区分；⽽当多个进程去争⽤共享变量、表格、链表时，有可能致使数据处理出错。

进程同步的主要任务是对多个相关进程在执⾏次序上进⾏协调，以使并发执⾏的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从⽽使程序的执⾏具有可再现性。

在资源共享的情况下：保证诸进程以互斥的⽅式访问临界资源—必须以互斥⽅式访问的共享资源；在相互合作的关系中：进程同步的主要任务是保证相互合作的诸进程在执⾏次序上协调，（有些教材把这种功能称做“协调”）。

相互合作的进程可能同时存在资源共享的关系。

如何实现进程互斥，需要让进程以互斥的⽅式进⼊各⾃的临界区，先执⾏进⼊区的代码。

⼈为地加⼀段代码。

临界资源必须以互斥⽅式访问的共享资源counter的例⼦：在机器语⾔中实现两个进程给count加⼀的操作register1 = countregister1 = register1 + 1count = register1register2 = countregister2 = register2 + 1count = register2但是如果是并发执⾏，可能会出现下⾯的情况register1 = countregister2 = countregister1 = register1 + 1register2 = register2 + 1count = register1count = register2结果就不对了。

可见，counter应该作为临界资源。

多个进程必须对其进⾏互斥访问临界区在每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

如果能保证诸进程互斥地进⼊⾃⼰的临界区，便可实现诸进程对临界资源的互斥访问。

每个进程在进⼊临界区之前，应先对欲访问的临界资源进⾏检查，看它是否正被访问。

实验三进程同步一、实验目的：1.了解进程和线程的同步方法，学会运用进程和线程同步方法来解决实际问题；2.了解windows系统下Win32 API或Pthread信号量机制的使用方法；二、实验预备内容：1.对书上所说基于信号量的有限缓冲的生产者－消费者问题；2.对于信号量的概念有大概的了解，知道如何用信号量的wiat()和signal()函数如何取消应用程序进入临界区的忙等；三、实验环境说明：此实验在Win7(32位) CodeBlocks环境下实现，采用WinAPI的信号量机制。

四、实验内容：设计一个程序解决有限缓冲问题，其中的生产者与消费者进程如下图所示。

在Bounded-Buffer Problem（6.6.1节）中使用了三个信号量：empty （记录有多少空位）、full（记录有多少满位）以及mutex（二进制信号量或互斥信号量，以保护对缓冲区插入与删除的操作）。

对于本项目，empty和full将采用标准计数信号量，而mutex将采用二进制信号量。

生产者与消费者作为独立线程，在empty、full、mutex的同步前提下，对缓冲区进行插入与删除。

本项目可采用Pthread或Win32 API。

（本实验采用Win32 API）五、程序设计说明：1.全局变量：定义缓冲区数组及其环形队列表达方式，定义mutex、empty、full 三个信号量。

empty记录缓冲区有多少个空位；full记录缓冲区有多少个满位；mutex作为互斥信号量，保护对缓冲区插入或删除的操作。

具体定义如下：定义生产者、消费者线程结构和包含的信息：（由于题目中没有要求，因此只定义了编号一个变量）2.缓冲区：缓冲区是一个元数据类型为buffer_item（可通过typedef定义）的固定大小的数组，按环形队列处理。

buffer_item的定义及缓冲区大小可保存在头文件中：A.insert_item()：先判断缓冲区是否已满，不满则向缓冲区中插入元素；B.remove_item()先判断缓冲区是否为空，不空则从缓冲区中删除元素；3.生产者线程：生产者线程交替执行如下两个阶段：睡眠一段随机事件，向缓冲中插入一个随机数。

课程设计题目进程同步模拟设计——生产者和消费者问题学院计算机科学与技术学院专业计算机科学与技术班级0806姓名张方纪指导教师孙玉芬2010 年 1 月20 日课程设计任务书学生姓名：张方纪专业班级：计算机0806指导教师：孙玉芬工作单位：计算机科学与技术学院题目: 进程同步模拟设计——生产者和消费者问题初始条件：1．预备内容：阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制度有深入的理解。

2．实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．模拟用信号量机制实现生产者和消费者问题。

2．设计报告内容应说明：⑴需求分析；⑵功能设计（数据结构及模块说明）；⑶开发平台及源程序的主要部分；⑷测试用例，运行结果与运行情况分析；⑸自我评价与总结：i）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色；ii）什么地方做得不太好，以后如何改正；iii）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）；iv）完成本题是否有其他方法（如果有，简要说明该方法）；时间安排：设计安排一周：周1、周2：完成程序分析及设计。

周2、周3：完成程序调试及测试。

周4、周5：验收、撰写课程设计报告。

（注意事项：严禁抄袭，一旦发现，一律按0分记）指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日进程同步模拟设计——生产者和消费者问题1课设任务本课程设计的任务在于，通过编写一个具体的有关操作系统进程同步互斥的经典问题，加强对操作系统实现进程间同步与互斥的机制的理解。

同时培养提出问题、发现知识、使用工具、解决问题的能力。

具体地，我们要编制出一个程序，利用PV原语以及进程创建、同步、互斥、销毁等相关的系统调用来模拟“生产者—消费者”问题。

2背景介绍2.1“生产者—消费者”问题(the producer-consumerproblem)问题描述：一组生产者向一组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲区n，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。

操作系统与进程同步操作系统是计算机系统的核心软件，负责协调和管理计算机资源。

在多道程序环境下，同时运行的多个进程会共享计算机资源，并发执行。

然而，并发执行可能导致资源竞争和数据不一致等问题，因此需要操作系统提供进程同步机制来确保进程之间的合作与协调。

本文将介绍操作系统与进程同步的相关概念和常见的同步方法。

一、概念解析1.1 操作系统操作系统是计算机硬件和软件之间的桥梁，负责管理和控制计算机系统的各种资源。

它提供了一系列的接口和服务，以满足用户的需求，同时有效地协调和管理进程、内存、文件和输入输出设备等资源。

1.2 进程进程是程序在计算机系统中的一次执行过程。

每个进程都有自己的程序、数据和执行状态，是计算机系统中最基本的执行单位。

多个进程可以并发执行，共享计算机资源。

1.3 进程同步进程同步是指进程之间通过一定的机制来协调和控制它们的行为，以保证数据的完整性和一致性。

主要解决了在并发执行的情况下可能出现的资源竞争、死锁等问题。

二、同步方法2.1 临界区临界区是指一段关键代码，每次只允许一个进程进入执行。

为了保证临界区的互斥访问，采用信号量等同步机制来实现。

进程在进入临界区前需要获得相应的信号量，执行完临界区代码后释放信号量。

2.2 互斥量互斥量是一种特殊的标记，用于保证在给定的时刻只有一个进程可以进入临界区。

当一个进程进入临界区时，它会获取互斥量；而其他进程要等待当前进程释放互斥量后才能进入临界区。

2.3 信号量信号量是一种全局变量，用于控制并发进程的访问共享资源。

它是一个计数器，可以有多个进程同时对其进行操作。

当信号量的值大于等于0时，表示可以进入临界区；当信号量的值小于0时，表示需要等待其他进程释放资源。

2.4 事件事件是一种同步对象，用于进程之间的通信和协调。

它包括两种状态：有信号状态和无信号状态。

一个进程可以等待一个事件变为有信号状态，或者触发一个事件使其变为有信号状态，从而实现进程之间的同步。

操作系统实验报告——进程同步与互斥一、实验内容本实验主要内容是通过编写程序来实现进程的同步与互斥。

具体来说，是通过使用信号量来实现不同进程之间的同步和互斥。

我们将编写两个进程，一个进程负责打印奇数，另一个进程负责打印偶数，两个进程交替打印，要求打印的数字从1开始，直到100结束。

二、实验原理进程的同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，进程之间互相等待的关系。

而进程的互斥是指多个进程竞争同一个资源，需要通过其中一种方式来避免同时访问共享资源，以免造成数据错乱。

在本实验中，我们使用信号量来实现进程的同步与互斥。

信号量是一个计数器，用于表示一些共享资源的可用数量。

进程在访问共享资源时，需要先对信号量进行操作，当信号量大于0时，表示资源可用，进程可以访问；当信号量等于0时，表示资源不可用，进程需要等待。

进程同步的实现可以通过信号量的P操作与V操作来完成。

P操作用于申请资源，当资源可用时，将计数器减一，并进入临界区；V操作用于释放资源，当资源使用完毕时，将计数器加一，使等待资源的进程能够申请。

进程互斥的实现可以通过信号量的P操作与V操作结合临界区来完成。

当多个进程需要访问共享资源时，需要先进行P操作，进入临界区，访问完毕后进行V操作，离开临界区。

三、实验步骤1.首先，我们需要创建两个进程，一个进程负责打印奇数，另一个进程负责打印偶数。

2. 然后，我们创建一个共享变量count，用来记录打印的数字。

3. 接着，我们创建两个信号量odd和even，用来控制进程的同步与互斥。

odd信号量初始值为1，表示打印奇数的进程可以访问；even信号量初始值为0，表示打印偶数的进程需要等待。

4.编写奇数打印进程的代码，首先进行P操作，判断奇数信号量是否大于0，如果大于0，表示可以打印奇数。

5. 如果可以打印奇数，将count加一，并输出当前的奇数，然后进行V操作，释放偶数打印进程的等待。

6.同样的，编写偶数打印进程的代码，首先进行P操作，判断偶数信号量是否大于0，如果大于0，表示可以打印偶数。

操作系统自测题三一选择题1.以下________操作系统中的技术是用来解决进程同步的。

A.管道B.管程C.通道D.DMA2.以下________不是操作系统的进程通信手段。

A.管道B.原语C.套接字D.文件映射3.如果有三个进程共享同一程序段，而且每次最多允许两个进程进入该程序段，则信号量的初值应设置为________。

A.3B.2C.1D.04.下面有关进程的描述，________是正确的。

A.进程执行的相对速度不能由进程自己来控制B.进程利用信号量的P、V操作可以交换大量的信息C.并发进程在访问共享资源时，不可能出现与时间有关的错误D.P、V操作不是原语操作5.信号可以用来实现进程之间的________A.调度B.同步与互斥C.同步D.互斥6.对于两个并发进程都想进入临界区，设互斥信号量为S,若某时S=0，表示________。

A.没有进程进入临界区B.有1个进程进入了临界区C.有2个进程进入了临界区D.有1个进程进入了临界区并且另一个进程正等待进入7.信箱通信是一种________方式。

A.直接通信B.间接通信C.低级通信D.信号量8.以下关于临界区的说法，________是正确的。

A.对于临界区，最重要的是判断哪个进程先进入B.若进程A已进入临界区，而进程B的优先级高于进程A，则进程B可以打断进程A而自己进入临界区C.信号量的初值非负，在其上只能做P、V操作D.两个互斥进程在临界区内，对共享变量的操作是相同的9.并发是指________。

A.可平行执行的进程B.可先后执行的进程C.可同时执行的进程D.不可中断的进程10.临界区是________。

A.一个缓冲区B.一段数据区C.一段程序D.栈11.进程在处理机上执行，它们的关系是________。

A.进程之间无关，系统是封闭的B.进程之间相互依赖、相互制约C.进程之间可能有关，也可能无关D．以上都不对12.在单处理机中，如果系统中有N个进程，则就绪队列中的进程个数最多的是________。

进程同步基本概念和原则1.引言1.1 概述进程同步是计算机科学领域中一个重要的概念。

在多任务操作系统中，多个进程并发执行，它们共享系统资源，如内存、文件等。

为了保证系统的正确性和可靠性，需要对进程的执行进行协调和管理。

进程同步的概念就是指在多个进程之间进行协作，使它们按照一定的顺序执行，以避免出现竞争状态和数据不一致的问题。

在并发执行的场景中，由于进程的执行速度和执行顺序是不可预测的，因此可能会引发一些问题，如死锁、饥饿等。

进程同步的目的是为了确保进程按照一定的次序执行，并且能够相互合作完成任务。

通过合理的同步机制，可以避免竞争条件，保证数据的一致性，提高系统的效率和稳定性。

为了实现进程同步，可以使用一些基本的同步机制，如互斥量、信号量、条件变量等。

这些机制通过提供临界区、等待和唤醒等操作，实现了进程之间的协调和合作。

在本文中，我们将介绍进程同步的基本概念和原则。

首先，我们将对进程同步的概念进行详细阐述，介绍其在多任务操作系统中的作用和意义。

然后，我们将介绍一些常用的进程同步原则，包括互斥、同步、顺序等。

通过深入理解这些基本概念和原则，可以帮助读者更好地理解进程同步的内在机制和实现方式。

本文旨在提供关于进程同步的基本知识和理论，并为读者进一步研究和应用进程同步提供参考。

最后，我们将对本文的内容进行总结，并展望进程同步在未来的发展方向。

希望本文能够对读者加深对进程同步的理解，并在实际应用中发挥积极的作用。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写："1.2 文章结构本文分为三个主要部分，包括引言、正文和结论。

引言部分主要对进程同步的主题进行概述，简要介绍进程同步的基本概念和相关原则。

同时，引言部分还介绍了本文的结构，并说明了文章的目的。

正文部分分为2个小节，分别是进程同步基本概念和进程同步原则。

在进程同步基本概念部分，我们将详细介绍什么是进程同步，为什么需要进行进程同步以及进程同步的基本概念和相关术语。

操作系统进程同步在计算机操作系统中，进程同步是一个至关重要的概念。

它就像是一场精心编排的舞蹈，每个进程都是一位舞者，需要在特定的节奏和规则下协调动作，以确保整个系统的高效、稳定运行。

想象一下，如果多个进程在没有任何协调的情况下随意运行，那会是怎样的混乱场景？就好比一群没有指挥的乐手，各自演奏着自己的旋律，结果只能是刺耳的噪音。

进程同步的目的，就是为了避免这种混乱，让各个进程能够有条不紊地执行任务，充分利用系统资源，提高系统的性能和可靠性。

那么，什么是进程同步呢？简单来说，进程同步是指多个进程在执行过程中，通过某种机制协调它们的执行顺序和访问共享资源的方式，以保证结果的正确性和一致性。

为了更好地理解进程同步，我们先来了解一下进程的概念。

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，它可以看作是一个正在执行的程序实例。

每个进程都有自己独立的地址空间、执行上下文和资源需求。

在实际的系统中，进程之间经常需要共享资源，比如内存中的数据、外部设备等。

如果多个进程同时访问和修改这些共享资源，就可能会导致数据不一致、错误甚至系统崩溃等问题。

这就好比两个孩子同时在一块黑板上写字，如果没有规则来约束，他们的笔迹很可能会重叠在一起，变得混乱不堪。

为了解决这些问题，操作系统提供了多种进程同步的机制。

其中，最常见的有信号量、互斥锁、条件变量等。

信号量就像是一个交通信号灯，它控制着进程对共享资源的访问。

信号量有一个整数值，用于表示可用资源的数量。

当一个进程想要访问共享资源时，它需要先获取信号量。

如果信号量的值大于零，进程就可以获取资源并将信号量的值减一；如果信号量的值为零，进程就需要等待，直到其他进程释放资源并将信号量的值增加。

互斥锁则像是一把钥匙，只有拥有这把钥匙的进程才能访问共享资源。

当一个进程获取到互斥锁时，其他进程就无法访问该资源，直到持有锁的进程释放锁。

条件变量则用于实现进程之间的等待和通知机制。

当一个进程等待某个条件满足时，它可以阻塞在条件变量上。

操作系统中的进程间通信与同步机制在计算机领域中，操作系统是一个必不可少的软件，它管理着计算机硬件和软件资源，并且为用户和应用程序提供了一个运行环境。

而进程是操作系统中执行中的程序实例，它是计算机资源分配、调度和执行的基本单位。

在一个操作系统中，多个进程常常需要进行通信和同步，以便进行数据传递和协调工作。

本文将讨论操作系统中的进程间通信与同步机制。

一、进程间通信（IPC）进程间通信，简称IPC（Inter-Process Communication），是指不同进程之间相互交换数据和信息的一种机制。

它允许进程之间共享资源、传递消息和协调活动。

在操作系统中，有几种常见的IPC机制，包括管道、共享内存、消息队列和套接字等。

1. 管道（Pipe）管道是一种最简单的进程间通信机制，它创建了一个字节流管道，一个进程的输出可以直接作为另一个进程的输入。

在Unix/Linux系统中，使用pipe()系统调用创建一个管道，典型的管道用法是通过fork()系统调用创建一个子进程，其中一个进程通过管道向另一个进程传递数据。

2. 共享内存（Shared Memory）共享内存是一种进程间通信的高效机制，它允许多个进程访问同一个内存区域，从而实现数据的共享。

在操作系统中，使用共享内存可以显著提高进程间通信的速度。

常见的共享内存接口包括shmget、shmat和shmdt等。

3. 消息队列（Message Queue）消息队列是一种进程间通信的方式，它通过在消息队列中传递和接收消息来实现进程间的数据交换。

在操作系统中，消息队列常用于解决生产者-消费者问题，其中一个进程将数据发送到消息队列，另一个进程从消息队列中接收数据。

4. 套接字（Socket）套接字是一种进程间通信的通用机制，它允许不同计算机上的进程通过网络进行通信。

套接字可以进行不同类型的通信，包括面向连接的socket和面向无连接的socket。

在操作系统中，套接字常用于实现分布式系统和网络应用程序。