操作系統(tǒng)課程設計

學號:0120810340614課程設計題目進程同步模擬設計——生產者和消費者問題學院計算機科學與技術學院專業(yè)計算機科學與技術班級0806姓名張方紀指導教師孫玉芬2010年1月20日課程設計任務書學生姓名： 張方紀 專業(yè)班級： 計算機0806指導教師： 孫玉芬 工作單位：計算機科學與技術學院題目：進程同步模擬設計一一生產者和消費者問題初始條件：預備內容：閱讀操作系統(tǒng)的進程管理章節(jié)內容，對進程的同步和互斥，以及信號量機制度有深入的理解。實踐準備：掌握一種計算機高級語言的使用。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）模擬用信號量機制實現生產者和消費者問題。設計報告內容應說明：⑴需求分析；⑵功能設計（數據結構及模塊說明）；⑶開發(fā)平臺及源程序的主要部分；⑷測試用例，運行結果與運行情況分析；⑸自我評價與總結：i） 你認為你完成的設計哪些地方做得比較好或比較出色；ii） 什么地方做得不太好，以后如何改正；iii） 從本設計得到的收獲（在編寫，調試，執(zhí)行過程中的經驗和教訓）；iv） 完成本題是否有其他方法（如果有，簡要說明該方法）；時間安排：設計安排一周：周1、周2：完成程序分析及設計。周2、周3：完成程序調試及測試。周4、周5：驗收、撰寫課程設計報告。（注意事項：嚴禁抄襲，一旦發(fā)現，一律按0分記）指導教師簽名:系主任（或責任教師）簽名:進程同步模擬設計——生產者和消費者問題1課設任務本課程設計的任務在于，通過編寫一個具體的有關操作系統(tǒng)進程同步互斥的經典問題，加強對操作系統(tǒng)實現進程間同步與互斥的機制的理解。同時培養(yǎng)提出問題、發(fā)現知識、使用工具、解決問題的能力。具體地，我們要編制出一個程序，利用PV原語以及進程創(chuàng)建、同步、互斥、銷毀等相關的系統(tǒng)調用來模擬“生產者一消費者”問題。2背景介紹2.1“生產者一消費者”問題（theproducer-consumerproblem）問題描述：一組生產者向一組消費者提供消息，它們共享一個有界緩沖區(qū)n，生產者向其中投放消息，消費者從中取得消息。規(guī)則：?對于生產者進程：產生一個數據，當要送入緩沖區(qū)時，要檢查緩沖區(qū)是否已滿，若未滿，則可將數據送入緩沖區(qū)，并通知消費者進程；否則，等待；?對于消費者進程：當它去取數據時，要看緩沖區(qū)中是否有數據可取，若有則取走一個數據，并通知生產者進程，否則，等待。?緩沖區(qū)是個臨界資源，因此，諸進程對緩沖區(qū)的操作程序是一個共享臨界區(qū)，所以，還有個互斥的問題。問題分析：該問題涉及到操作系統(tǒng)進程管理當中的兩個重要概念一一同步和互斥。同步，表現在生產者和消費者需要協(xié)同工作，步調不能拉開太大（由緩沖區(qū)大小n決定，n越大，緩沖空間越大，步調可以拉得越開；n=1時，必須是生產一個，消費一個，生產者和消費者就完全同步了）。當步調差距超過極限時，走在前面的當前進程（生產者）調用P原語時由于資源耗盡，被阻塞；步調靠后的繼續(xù)向前推進。由此實現同步?；コ?，表現在生產者與消費者、生產者與生產者、消費者與消費者任何兩個成員之間必須互斥地使用緩沖區(qū)。當有一個成員進入緩沖區(qū)存/取產品時，其他成員將被關在門外排隊等候（被阻塞）；當完畢時，通知隊首成員進入。由操作系統(tǒng)理論可知，我們需要三個信號量，分別命名full,empty,mutex，來分別代表消費者的可用資源數、生產者的可用資源數、緩沖區(qū)是否可用。初值：full=0（消費者無資源可用），empty=N（生產者有N個資源可用，N代表緩沖區(qū)大?。?，mutex=1（緩沖區(qū)可用）。要模擬多個進程的并發(fā)，我們要使用一個系統(tǒng)調用，使多個函數或程序同時地執(zhí)行。鑒于VC下這樣的函數太過復雜，Linux下筆者暫未找到，因此我們使用Toyix系統(tǒng)提供的一個系統(tǒng)調用函數：cobegin。其說明如下：cobegin原型：intcobegin();功能：創(chuàng)建多個子進程并發(fā)執(zhí)行函數。參數：函數名用0結束，例如：cobegin(f1,f2,f3,0);返回值：創(chuàng)建子進程的個數。說明：所有子進程共享數據段，主進程撤銷，所有子進程將被撤銷。我們于下一小節(jié)具體講述有關Toyix的背景知識。2.2Toyix簡介2.2.1概述Toyix是我國著名計算機教育家王爽老師開發(fā)的一個專門用于操作系統(tǒng)基礎理論教學的軟件。該軟件很好的解決了目前存在于計算機專業(yè)操作系統(tǒng)課程教學中無法使學習者獲得實踐體驗和對理論直觀的了解的問題。以下是Toyix軟件的重要意義和特點的描述：(該軟件下載地址)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學中存在的問題：?重理論輕實踐，學習的理論沒有與編程結合，使學習者無法獲得實際的體驗。?以unix或windows為平臺實踐，這兩種系統(tǒng)比較復雜，須學習許多相關的知識，分散學習者的精力，不能把主要精力放在操作系統(tǒng)的問題的研究上。因此我們需要一個既能提供編程體驗，又不能太復雜的試驗平臺。為了解決這個問題，王爽老師開發(fā)了一個專門用于操作系統(tǒng)基礎理論教學的系統(tǒng)—Toyix。Toyix的特點：1、 Toyix小巧簡單Toyix安裝包只有幾百KB，下載后解壓即可使用。2、 Toyix的用戶操作方便Toyix兼容Dos的大多數命令。3、 Toyix下使用的是TC的編譯器多數學習者在學操作系統(tǒng)前都學過C語言，一般是從TC起步的，這樣在Toyix下編程時就不需要再學習新的編程知識，就可以開始編程。4、 Toyix的編程接口兼容性好系統(tǒng)部分與UNIX兼容，C庫函數與標準的C庫函數兼容，這樣書上的代碼非常容易在Toyix下實現。當然Toyix沒有實現UNIX和標準C的所有函數，只實現了一些教學實踐中必須的。2.2.2Toyix的安裝安裝步驟:

1、下載TOYIXCE.zip文件，將壓縮文件中的TOYIXCE文件夾解壓到D盤根目錄下，如下圖。文件更）編輯⑥查看但）收藏⑴工具（I）繁助文件更）編輯⑥查看但）收藏⑴工具（I）繁助?O后退-OF尸搜素文件夾回?地址（山|^0:\TOC\o"1-5"\h\zr 'Ij削建-徹史怦夷 Ij得次個女傳買抵鄙到I通晶臨件探 I解壓Toyix到D:盤根目錄2、打開TOYIXCE文件夾，瀏覽Toyix的系統(tǒng)文件，查看Toyix系統(tǒng)文件的目錄結構，如下圖。*D:\TOYIXCE文件曷舞牌（曰查者但）收藻⑴工具⑴幫助（E）。后退-0A|Q掀S。文件夾園?aJM我的w—KDKE0).1|5：vron藏ewm浦共享此立件喪ranin支件喪□mmaJM我的w—KDKE0).1|5：vron藏ewm浦共享此立件喪ranin支件喪□mm1女件初文件夾ft等以倒建一個新文偉冥用迂亍女伴哭鋼割teSHELL.Elffi眼，砧IT」:.TOVIX_C.EKE1499-1-423:00tuyix.libB-J9-1-?［；35LIB文件WY.EXE1澎-LT6;37OT.OBJ2002^-292;14IrtteTmadtatefileTLINK.EKE19^-1-^7:16CSAIE1-54:55-LI&文件T0TIX.H1獺T-T利CHeader￡i1eEDIT.COM1-101Z:OO應用程序_C麗2Q&2-M921:13EX&交件峰很日蚓SOOT年勺月事日'I、44CQ.MT2&0Z-S-2T0:35.Wind口印字早肉密文件圖2Toyix操作系統(tǒng)的目錄結構如果看到toyix的系統(tǒng)文件在D:\TOYIXCE目錄下，說明Toyix系統(tǒng)已安裝完畢。2.2.3對Toyix的一點修改

Toyix將用戶程序源文件放在了心盤根目錄，極不方便打開，又容易與C:盤系統(tǒng)文件混淆。因此我建議更改工作目錄。打開Toyix操作系統(tǒng)的目錄結構中的CO.BAT文件，將其中內容更改為：@echooffpathd:\toyixcecd/dD:\TOYIXCE\PROJECTStoy并在D:\TOYIXCE目錄下建立一PROJECTS文件夾，即可將工作目錄設在D:\TOYIXCE\PROJECTS下，可以很方便地將整個Toyix操作系統(tǒng)及你所編寫的程序打包，而且也避免了與C：盤主操作系統(tǒng)文件的相互干擾。此后，用戶用edit文本編輯器新建的文件以及后面用cc命令編譯和用do命令運行的文件/程序就都默認在此工作目錄下了。2.2.4Toyix的啟動和初步使用WindowsXp及以上的用戶可以直接雙擊CO.BAT啟動2.2.4Toyix操作系統(tǒng)。默認當前目錄即上面所說的D:\TOYIXCE\PROJECTSoToyix系統(tǒng)很簡單，只涉及簡單的模擬進程管理，只包含等少許外部程序（當然用戶可以利用它的CC內部命令自己生成.prg格式的外部程序）oToy.exe是其在Windows下的啟動程序。用戶使用普通的文本編輯器，或它自帶的editDOS下的編輯器編輯源程序。使用cc命令編譯。使用do命令運行。運行過程中，DOS界面上方會有一欄toyix的進程監(jiān)視器。它顯示了所有進程的狀態(tài)，“running”后面顯示的是正在執(zhí)行進程的進程號，“ready”后面顯示的是就緒進程的進程號，“blocked”后面顯示的是阻塞進程的進程號。如圖3：running*!0vea.<Ly:1 blocksdI TNuLtdprdicbssffoni-fcnroflxQ31-pvgCl)4kFr-easkey 圖3toyix的進程監(jiān)視器2.2.5Toyix編程Toyix編程部分主要講解toyix系統(tǒng)提供的庫函數。Toyix庫函數主要分兩類：一類是與系統(tǒng)相關的庫函數；另一類是c庫函數，和一般c庫函數的使用基本相同。此部分內容請讀者參考，上面的資料。地址：http://www.toyix.nct/tutorial/tutorial.htm#a2讀者也可以通過本課設報告來窺知toyix系統(tǒng)的內容。3具體實現（完整代碼及分析）完整代碼如下：#include<toyix.h>#defineN4semaphoremutex;semaphorefull;semaphoreempty;produce(){delay(3000);/*用3秒鐘生產一件產品*/printf("%dProduceaproduct\n",get_pid());p(&empty);p(&mutex);delay(5000);/*用5秒鐘將該產品放入緩沖區(qū)*/printf("%dPuttheproductintobuffer\n",get_pid());v(&mutex);v(&full);}consume(){p(&full);p(&mutex);delay(5000);/*用5秒鐘從緩沖區(qū)取走一件產品*/printf("%dFetchaproductformbuffer\n”,get_pid());v(&mutex);v(&empty);delay(3000);/*用3秒鐘消費該產品*/printf("%dConsumetheproduct\n”,get_pid());}main(){intn,i;printf("\n");/*設置信號量的初值*/set(&mutex,1);/*mutex=1:緩沖區(qū)可用；mutex=0：緩沖區(qū)正被占用，不可用*/set(&full,0);/*consume函數的信號量。full=1~N：緩沖區(qū)有產品可取走；full<=0：緩沖區(qū)無產品*/set(&empty,N);/*produce函數的信號量°empty=1~N：緩沖區(qū)有空位放產品；full<=0：緩沖區(qū)無空位*/n=cobegin(/*多個函數(進程)并行執(zhí)行。測試各種情況。(注：cobegin最多支持7個函數同時運行)*/produce,produce,produce,produce,produce,consume,consume,0);printf("%dsub-processreadytorunconcurrently.\n”,n);printf("\n");getch();/*必須加上，以保證主進程最后才結束。cobegin的子進程都會在主進程結束時被銷毀。*/}運行過程與結果:匚：「C:^TlffDOlSVsysl\c>d.eseToyixuersion1_0S,Copyright<c>2093UangShuangTQ<;ixisconcurrentenvironmentivseAinOSteachin?andresea.rcliin9Uan^Shuan^Jsemail：superhopel?!26.cdh,feustu@163.comkCo.：XTO?IXCEXPROJECT￡>cccp.cConpiling...cp.c：Availablememory244700Linking...Making-.-.pp-prg-<Co.>D：XTOVIXCEXPEOJECTS>_圖4編譯源程序，成功生成.prg可執(zhí)行文件反C:\THTD01SVsysleB32\cad.eserunning:0ready：1 blocked： ToyixThree-statesHonitorU0.03Toyixis-aconcurrentenvironment inOSteachingandresearchinsUan^ShLian^Jsemail：superhopeP,fewstuP163.conkCo.>D：\TOVIKCE\PROJECT￡>cccp.cConpiling...cp_c：Availablenemoi'9244700Linking...Making-.-.pp-prffkCo.>D：XTOVIXCEXPKOJECTS>docpcp.prg-<1〉dLPressanyke^F...圖5執(zhí)行可執(zhí)行文件，父進程就緒0號進程是操作系統(tǒng)初始進程，或命令行進程。1號進程為可執(zhí)行文件調入內存所產生的進程，即主（父）進程。本程序中，2號開始即為子進程。Cobegin中共7個函數（進程）并發(fā)執(zhí)行，進程號分別為2?8。

圖6按任意鍵開始運行可以看到，此時進程5被調度到，61234處于就緒狀態(tài)，78被阻塞。3C:\￥IlTD01SVsys-t eserunning：1readj/：3 blocked：245&78ToyixThree-statesHonitorU0.03<Co_JD：\T0￥IXCEXPKOJECTS>cccp_cGonpiling...cp.c：Availablenemor^r2447BBLinkinc[-..Making-.-.cp-prffkCo.>D：ST0?IXCESPBOJECTS>docpcp_pi'fftl>okPressanykey.-7sub—pi'ocessreadytoi'uncancLLi't'entlu.ProduceaproductProduceaproductProduceaproductProduceaproductProduceaproduct圖7進程的切換調度可見，34256都已經執(zhí)行過至少一次，而且并發(fā)的7個進程的調度先后順序并無一定之規(guī)。6進程（生產者）生產了1件產品，可是因為緩沖區(qū)才4個單位，前四個生產者已經往其中放滿了產品。接下來會發(fā)生什么？8C:\THTD01SVsysl?32\c>d.eserunning:running:1ready： blocked：Flaking...cp.prcrToyixThree-statesNonitorU0.03<Co.7D：<Co.7D：\TO￥IKCESPKOJECTS>docp.prcfCl>opsPressanykey...7sub-processreadytoi'nnCPconcurrent34256342577ProduceProduceProduceProduceProducePutthePutthePutthePuttheFetchaConsumeFetchaConsumePuttheaproductaproductaproductaproductaproductproductintoproductintoproductintoproductintoproductfol'r34256342577ProduceProduceProduceProduceProducePutthePutthePutthePuttheFetchaConsumeFetchaConsumePuttheaproductaproductaproductaproductaproductproductintoproductintoproductintoproductintoproductfol'rtJieproductproductfot'nthepr