操作系統(tǒng)之進程生產(chǎn)者消費者實驗報告

1、操作系統(tǒng)實驗報告 生產(chǎn)者和消費者問題姓名： 學號： 班級：一、實驗內(nèi)容 1、模擬操作系統(tǒng)中進程同步和互斥； 2、實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者問題的算法實現(xiàn)；二、實驗目的1、熟悉臨界資源、信號量及PV操作的定義與物理意義；2、了解進程通信的方法；3、掌握進程互斥與進程同步的相關知識；4、掌握用信號量機制解決進程之間的同步與互斥問題；5、實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者問題，深刻理解進程同步問題；三、實驗題目 在Windows操作系統(tǒng)下用C語言實現(xiàn)經(jīng)典同步問題：生產(chǎn)者消費者，具體要求如下： (1)一個大小為10的緩沖區(qū)，初始狀態(tài)為空。 (2)2個生產(chǎn)者，隨機等待一段時間，往緩沖區(qū)中添加數(shù)據(jù)，若緩沖區(qū)已滿，等待消費者取走數(shù)據(jù)

2、之后再添加，重復10次。 (3)2個消費者，隨機等待一段時間，從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，若緩沖區(qū)為空，等待生產(chǎn)者添加數(shù)據(jù)之后再讀取，重復10次。四、思想 本實驗的主要目的是模擬操作系統(tǒng)中進程同步和互斥。在系統(tǒng)進程并發(fā)執(zhí)行異步推進的過程中，由于資源共享和進程間合作而造成進程間相互制約。進程間的相互制約有兩種不同的方式。 （1）間接制約。這是由于多個進程共享同一資源（如CPU、共享輸入/輸出設備）而引起的，即共享資源的多個進程因系統(tǒng)協(xié)調(diào)使用資源而相互制約。 （2）直接制約。只是由于進程合作中各個進程為完成同一任務而造成的，即并發(fā)進程各自的執(zhí)行結果互為對方的執(zhí)行條件，從而限制各個進程的執(zhí)行速度。 生產(chǎn)者和

3、消費者是經(jīng)典的進程同步問題，在這個問題中，生產(chǎn)者不斷的向緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)，而消費者則從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者進程和消費者對緩沖區(qū)的操作是互斥，即當前只能有一個進程對這個緩沖區(qū)進行操作，生產(chǎn)者進入操作緩沖區(qū)之前，先要看緩沖區(qū)是否已滿，如果緩沖區(qū)已滿，則它必須等待消費者進程將數(shù)據(jù)取出才能寫入數(shù)據(jù)，同樣的，消費者進程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)之前，也要判斷緩沖區(qū)是否為空，如果為空，則必須等待生產(chǎn)者進程寫入數(shù)據(jù)才能讀取數(shù)據(jù)。 在本實驗中，進程之間要進行通信來操作同一緩沖區(qū)。一般來說，進程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為兩種：即控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時，也把進程間控制在本實驗中，進程之間要進行通信來操

4、作同一緩沖區(qū)。一般來說，進程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為兩種：即控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時，也把進程間控制信息的交換稱為低級通信，而把進程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。 目前，計算機系統(tǒng)中用得比較普遍的高級通信機制可分為3大類：共享存儲器系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)及管道通信系統(tǒng)。 共享存儲器系統(tǒng) 共享存儲器系統(tǒng)為了傳送大量數(shù)據(jù)，在存儲器中劃出一塊共享存儲區(qū)，諸進程可通過對共享存儲區(qū)進行讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)以實現(xiàn)通信。進程在通信之前，向系統(tǒng)申請共享存儲區(qū)中的一個分區(qū)，并為它指定一個分區(qū)關鍵字。 信息的交換稱為低級通信，而把進程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。 消息傳遞系統(tǒng) 在消息傳遞系統(tǒng)中，進程

5、間的數(shù)據(jù)交換以消息為單位，在計算機網(wǎng)絡中被稱為報文。消息傳遞系統(tǒng)的實現(xiàn)方式又可以分為以下兩種：(1)直接通信方式 發(fā)送進程可將消息直接發(fā)送給接收進程，即將消息掛在接收進程的消息緩沖隊列上，而接收進程可從自己的消息緩沖隊列中取得消息。(2)間接通信方式 發(fā)送進程將消息發(fā)送到指定的信箱中，而接收進程從信箱中取得消息。這種通信方式又稱信箱通信方式，被廣泛地應用于計算機網(wǎng)絡中。相應地，該消息傳遞系統(tǒng)被稱為電子郵件系統(tǒng)。 管道通信系統(tǒng) 向管道提供輸入的發(fā)送進程，以字符流方式將大量的數(shù)據(jù)送入管道，而接收進程從管道中接收數(shù)據(jù)。由于發(fā)送進程和接收進程是利用管道進行通信的，故稱為管道通信。 為了協(xié)調(diào)發(fā)送和接收雙

6、方的通信，管道通信機制必須提供以下3方面的協(xié)調(diào)功能。（1）互斥 當一個進程正在對pipe文件進行讀或?qū)懖僮鲿r，另一個進程必須等待。（2）同步 當寫進程把一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寫入pipe文件后，便阻塞等待，直到讀進程取走數(shù)據(jù)后，再把寫進程喚醒。（3）確認對方是否存在 只有確定對方已存在時，才能進行管道通信，否則會造成因?qū)Ψ讲淮嬖诙鵁o限制地等待。在這個問題當中，我們采用信號量機制進行進程之間的通信，設置兩個信號量，空的信號量和滿的信號量。在Windows系統(tǒng)中，一個或多個信號量構成一個信號量集合。使用信號量機制可以實現(xiàn)進程之間的同步和互斥，允許并發(fā)進程一次對一組信號量進行相同或不同的操作。每個P、V操作

7、不限于減1或加1，而是可以加減任何整數(shù)。在進程終止時，系統(tǒng)可根據(jù)需要自動消除所有被進程操作過的信號量的影響 。1緩沖區(qū)采用循環(huán)隊列表示，利用頭、尾指針來存放、讀取數(shù)據(jù)，以及判斷隊列是否為空。緩沖區(qū)中數(shù)組大小為10；2利用隨機函數(shù)rand()得到AZ的一個隨機字符，作為生產(chǎn)者每次生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，存放到緩沖區(qū)中；3. 使用shmget()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)共享主存段的創(chuàng)建， shmget()返回共享內(nèi)存區(qū)的ID。對于已經(jīng)申請到的共享段，進程需把它附加到自己的虛擬空間中才能對其進行讀寫。4.信號量的建立采用semget()函數(shù)，同時建立信號量的數(shù)量。在信號量建立后，調(diào)用semctl()對信號量進行初始化，例如

8、本實習中，可以建立兩個信號量SEM_EMPTY、SEM_FULL，初始化時設置SEM_EMPTY為10，SEM_FULL為0。使用操 作信號的函數(shù)semop()做排除式操作，使用這個函數(shù)防止對共享內(nèi)存的同時操作。對共享內(nèi)存操作完畢后采用shmctl()函數(shù)撤銷共享內(nèi)存段。5.使用循環(huán)，創(chuàng)建2個生產(chǎn)者以及2個消費者，采用函數(shù)fork()創(chuàng)建一個新的進程。6一個進程的一次操作完成后，采用函數(shù)fflush()刷新緩沖區(qū)。7程序最后使用semctl()函數(shù)釋放內(nèi)存。模擬程序的程序流程圖如下所示：1.主程序流程圖：2.生產(chǎn)者進程流程圖3.消費者進程流程圖4.P操作流程圖5.V操作流程圖5、 實現(xiàn)代碼為：

9、/ exet5.cpp#include "stdafx.h"#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define mSIZE 3#define pSIZE 20static int memerymSIZE = 0;static int processpSIZE = 0;/static int processpSIZE = 2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2;/static int processpSIZE = 7,10,1,2,10,3,10,4,2,3,10,3,2,1,2,10,1,7,10,1;v

10、oid build(); void LRU(); int main(intargc, char *argv)printf("Random sequence is as follows:n");build();printf("nInvoking LRU Algorithn: n");LRU();return 0;void build()int i = 0;for(i=0; i<pSIZE; i+) processi = (int)(10.0*rand()/(RAND_MAX);printf("%d ",processi); pri

11、ntf("n");void LRU()int flagmSIZE = 0; int i = 0, j = 0;int m = -1, n = -1;int max = -1,maxflag = 0; int count = 0;for(i = 0; i<pSIZE; i+) /Find the first free Physical Blockfor(j=0; j<mSIZE; j+) if(memeryj = 0) m = j;break; /Find if there are same processesfor(j = 0; j <mSIZE; j+)

12、 if(memeryj = processi) n = j; /Find free PBfor(j = 0; j <mSIZE;j+) if(flagj>maxflag) maxflag = flagj;max = j; if(n = -1) / Find no same process if(m != -1) / find free PB memerym = processi;flagm = 0;for(j = 0;j <= m; j+) flagj+; m = -1; else /NO find free PB memerymax = processi;flagmax =

13、 0;for(j = 0;j <mSIZE; j+) flagj+; max = -1; maxflag = 0;count+; else / Find same process memeryn = processi;flagn = 0;if(m != -1) /find free PB flagm = 0; for(j = 0;j <mSIZE; j+) flagj+;max = -1; maxflag = 0; n = -1; for(j = 0 ;j <mSIZE; j+)printf("%d ",memeryj);printf("n");printf("nThe times of page conversion is: %dn",count);六、實驗總結及思考1、本次實驗是關于生產(chǎn)者與消費者之間互斥和同步的問題。問題的是指是P、V操作，實驗設一個共享緩沖區(qū)，生產(chǎn)者和消費