操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)五

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)五操作系統(tǒng)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告物理存儲(chǔ)器與進(jìn)程邏輯地址空間的管理學(xué)號(hào) 2011 班級(jí)姓名 型鋼 專業(yè)學(xué)生所在學(xué)院 指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)室名稱地點(diǎn)哈爾濱工程大學(xué)一、實(shí)驗(yàn)概述實(shí)驗(yàn)名稱進(jìn)程的同步實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.使用EOS的信號(hào)量，編程解決生產(chǎn)者 —消費(fèi)者問題，理解進(jìn)程同步的意義。2.調(diào)試跟蹤EOS信號(hào)量的工作過程，理解進(jìn)程同步的原理。3.修改EOS的信號(hào)量算法，使之支持等待超時(shí)喚醒功能（有限等待），加深理解進(jìn)程同步的原理。實(shí)驗(yàn)類型驗(yàn)證二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境OSLab三、實(shí)驗(yàn)過程3.1 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)按照下面的步驟準(zhǔn)備本次實(shí)驗(yàn)：啟動(dòng)OSLab。新建一個(gè)EOSKernel項(xiàng)目。生成EOSKernel項(xiàng)目，從而在該項(xiàng)目文件夾中生成SDK文件夾。新建一個(gè)EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目。使用在第3步生成的SDK文件夾覆蓋EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目文件夾中的SDK文件夾。03.2使用EOS的信號(hào)量解決生產(chǎn)者－消費(fèi)者問題按照下面的步驟查看生產(chǎn)者－消費(fèi)者同步執(zhí)行的過程：使用pc.c文件中的源代碼，替換之前創(chuàng)建的EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目中EOSApp.c文件內(nèi)的源代碼。按F7生成修改后的EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目。按F5啟動(dòng)調(diào)試。OSLab會(huì)首先彈出一個(gè)調(diào)試異常對話框。在調(diào)試異常對話框中選擇“否”，繼續(xù)執(zhí)行。立即激活虛擬機(jī)窗口查看生產(chǎn)者－消費(fèi)者同步執(zhí)行的過程。1待應(yīng)用程序執(zhí)行完畢后，結(jié)束此次調(diào)試。3.3 調(diào)試EOS信號(hào)量的工作過程 創(chuàng)建信號(hào)量按照下面的步驟調(diào)試信號(hào)量創(chuàng)建的過程：按F5啟動(dòng)調(diào)試EOS應(yīng)用項(xiàng)目。OSLab會(huì)首先彈出一個(gè)調(diào)試異常對話框。在調(diào)試異常對話框中選擇"是"，調(diào)試會(huì)中斷。在main函數(shù)中創(chuàng)建Empty信號(hào)量的代碼行（第77行）2EmptySemaphoreHandle=CreateSemaphore(BUFFER_SIZE,BUFFER_SIZE,NULL);添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到此斷點(diǎn)處中斷。按F11調(diào)試進(jìn)入CreateSemaphore函數(shù)。可以看到此API函數(shù)只是調(diào)用了EOS內(nèi)核中的PsCreateSemaphoreObject函數(shù)來創(chuàng)建信號(hào)量對象。6.按F11調(diào)試進(jìn)入semaphore.c文件中的PsCreateSemaphoreObject函數(shù)。在此函數(shù)中，會(huì)在EOS內(nèi)核管理的內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量對象（分配一塊內(nèi)存），而初始化信號(hào)量對象中各個(gè)成員的操作是在PsInitializeSemaphore函數(shù)中完成的。7.在semaphore.c文件的頂部查找到PsInitializeSemaphore函數(shù)的定義（第19行），在此函數(shù)的第一行（第39行）代碼處添加一個(gè)斷3點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。觀察PsInitializeSemaphore函數(shù)中用來初始化信號(hào)量結(jié)構(gòu)體成員的值，應(yīng)該和傳入CreateSemaphore函數(shù)的參數(shù)值是一致的。按F10單步調(diào)試PsInitializeSemaphore函數(shù)執(zhí)行的過程，查看信號(hào)量結(jié)構(gòu)體被初始化的過程。打開"調(diào)用堆棧"窗口，查看函數(shù)的調(diào)用層次。45 等待、釋放信號(hào)量 等待信號(hào)量（不阻塞）生產(chǎn)者和消費(fèi)者剛開始執(zhí)行時(shí)， 用來放產(chǎn)品的緩沖區(qū)都是空的，所以生產(chǎn)者在第一次調(diào)用WaitForSingleObject 函數(shù)等待Empty信號(hào)量時(shí)，應(yīng)該不需要阻塞就可以立即返回。 按照下面的步驟調(diào)試：刪除所有的斷點(diǎn)（防止有些斷點(diǎn)影響后面的調(diào)試）。在eosapp.c文件的Producer函數(shù)中，等待Empty信號(hào)量的代碼行6144)WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,INFINITE); 添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。WaitForSingleObject函數(shù)最終會(huì)調(diào)用內(nèi)核中的PsWaitForSemaphore函數(shù)完成等待操作。所以，在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函數(shù)的第一行（第68行）添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。按F10單步調(diào)試，直到完成PsWaitForSemaphore函數(shù)中的所有操作?？梢钥吹酱舜螆?zhí)行并沒有進(jìn)行等待，只是將Empty信號(hào)量的計(jì)數(shù)減少了1（由10變?yōu)榱?）就返回了。7如圖所示,empty的初始值為10。在完成PsWaitForSemaphore函數(shù)中的所有操作后empty的值變成了9。 釋放信號(hào)量（不喚醒）刪除所有的斷點(diǎn)（防止有些斷點(diǎn)影響后面的調(diào)試）。在eosapp.c文件的Producer函數(shù)中，釋放Full信號(hào)量的代碼行（第152行）ReleaseSemaphore(FullSemaphoreHandle,1,NULL);添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。8按F11調(diào)試進(jìn)入ReleaseSemaphore函數(shù)。繼續(xù)按F11調(diào)試進(jìn)入PsReleaseSemaphoreObject函數(shù)。先使用F10單步調(diào)試，當(dāng)黃色箭頭指向第269行時(shí)使用F11單步調(diào)試，進(jìn)入PsReleaseSemaphore函數(shù)。按F10單步調(diào)試，直到完成PsReleaseSemaphore函數(shù)中的所有操作?？梢钥吹酱舜螆?zhí)行沒有喚醒其它線程（因?yàn)榇藭r(shí)沒有線程在Full信號(hào)量上被阻塞），只是將Full信號(hào)量的計(jì)數(shù)增加了1（由0變?yōu)榱?）。full信號(hào)量初始值為09full 信號(hào)量由0變?yōu)?生產(chǎn)者線程通過等待Empty信號(hào)量使空緩沖區(qū)數(shù)量減少了1，通過釋放Full信號(hào)量使?jié)M緩沖區(qū)數(shù)10量增加了1，這樣就表示生產(chǎn)者線程生產(chǎn)了一個(gè)產(chǎn)品并占用了一個(gè)緩沖區(qū)。 等待信號(hào)量（阻塞）由于開始時(shí)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)產(chǎn)品的速度較快，而消費(fèi)者線程消費(fèi)產(chǎn)品的速度較慢，所以當(dāng)緩沖池中所有的緩沖區(qū)都被產(chǎn)品占用時(shí)，生產(chǎn)者在生產(chǎn)新的產(chǎn)品時(shí)就會(huì)被阻塞，下面調(diào)試這種情況。結(jié)束之前的調(diào)試。刪除所有的斷點(diǎn)。按F5重新啟動(dòng)調(diào)試。OSLab會(huì)首先彈出一個(gè)調(diào)試異常對話框。在調(diào)試異常對話框中選擇“是”，調(diào)試會(huì)中斷。在semaphore.c文件中的PsWaitForSemaphore函數(shù)的PspWait(&Semaphore->WaitListHead,INFINITE);代碼行（第78行）添加一個(gè)斷點(diǎn)。11按F5繼續(xù)調(diào)試，并立即激活虛擬機(jī)窗口查看輸出。開始時(shí)生產(chǎn)者、消費(fèi)者都不會(huì)被信號(hào)量阻塞，同步執(zhí)行一段時(shí)間后才在斷點(diǎn)處中斷。中斷后，查看“調(diào)用堆?！贝翱?，有Producer函數(shù)對應(yīng)的堆棧幀，說明此次調(diào)用是從生產(chǎn)者線程函數(shù)進(jìn)入的。在“調(diào)用堆?！贝翱谥须p擊Producer函數(shù)所在的堆棧幀，綠色箭頭指向等待Empty信號(hào)量的代碼行，查看Producer函數(shù)中變量i的值為14，表示生產(chǎn)者線程正在嘗試生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品。在“調(diào)用堆棧”窗口中雙擊PsWaitForSemaphore函數(shù)的堆棧幀，查看Empty12信號(hào)量計(jì)數(shù)（Semaphore->Count）的值為-1，所以會(huì)調(diào)用PspWait函數(shù)將生產(chǎn)者線程放入Empty信號(hào)量的等待隊(duì)列中進(jìn)行等待（讓出CPU）。激活虛擬機(jī)窗口查看輸出的結(jié)果。生產(chǎn)了從0到13的14個(gè)產(chǎn)品，但是只消費(fèi)了從0到3的4個(gè)產(chǎn)品，所以緩沖池中的10個(gè)緩沖區(qū)就都被占用了，這與之前調(diào)試的結(jié)果是一致的。13 釋放信號(hào)量（喚醒）只有當(dāng)消費(fèi)者線程從緩沖池中消費(fèi)了一個(gè)產(chǎn)品，從而產(chǎn)生一個(gè)空緩沖區(qū)后，生產(chǎn)者線程才會(huì)被喚醒并繼續(xù)生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品。可以按照下面的步驟調(diào)試：刪除所有斷點(diǎn)。在eosapp.c文件的Consumer函數(shù)中，釋放Empty信號(hào)量的代碼行（第180）ReleaseSemaphore(EmptySemaphoreHandle,1,NULL);添加一個(gè)斷點(diǎn)。14按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。查看Consumer函數(shù)中變量i的值為4，說明已經(jīng)消費(fèi)了4號(hào)產(chǎn)品。按照中的方法使用F10和F11調(diào)試進(jìn)入PsReleaseSemaphore函數(shù)。查看PsReleaseSemaphore函數(shù)中Empty信號(hào)量計(jì)數(shù)（Semaphore->Count）的值為-1，和生產(chǎn)者線程被阻塞時(shí)的值是一致的。按F10單步調(diào)試PsReleaseSemaphore函數(shù)，直到在代碼行（第132行）15PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead,STATUS_SUCCESS);處中斷。此時(shí)Empty信號(hào)量計(jì)數(shù)的值已經(jīng)由-1增加為了0，需要調(diào)用PspWakeThread函數(shù)喚醒阻塞在Empty信號(hào)量等待隊(duì)列中的生產(chǎn)者線程（放入就緒隊(duì)列中），然后調(diào)用PspSchedule函數(shù)執(zhí)行調(diào)度，這樣生產(chǎn)者線程就得以繼續(xù)執(zhí)行。按照下面的步驟驗(yàn)證生產(chǎn)者線程被喚醒后，是從之前被阻塞時(shí)的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行的：1.在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函數(shù)的最后一行（第83行）代碼處添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，在斷點(diǎn)處中斷。查看PsWaitForSemaphore函數(shù)中Empty信號(hào)16量計(jì)數(shù)（Semaphore->Count）的值為0，和生產(chǎn)者線程被喚醒時(shí)的值是一致的。在“調(diào)用堆棧”窗口中可以看到是由Producer函數(shù)進(jìn)入的。激活Producer函數(shù)的堆棧幀，查看Producer函數(shù)中變量i的值為14，表明之前被阻塞的、正在嘗試生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)者線程已經(jīng)從PspWait函數(shù)返回并繼續(xù)執(zhí)行了。結(jié)束此次調(diào)試。3.4 修改EOS的信號(hào)量算法修改處代碼運(yùn)行成功17 測試方法修改完畢后，可以按照下面的方法進(jìn)行測試：使用修改完畢的EOSKernel項(xiàng)目生成完全版本的SDK文件夾，并覆蓋之前的生產(chǎn)者－消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)目的SDK文件夾。按F5調(diào)試執(zhí)行原有的生產(chǎn)者－消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)目，結(jié)果必須仍然與圖13-2一致。如果有錯(cuò)誤，可以調(diào)試內(nèi)核代碼來查找錯(cuò)誤，然后在內(nèi)核項(xiàng)目中修改，并重復(fù)步驟1。將Producer函數(shù)中等待Empty信號(hào)量的代碼行WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,18INFINITE);替換為while(WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,300)){printf("Producerwaitforemptysemaphoretimeout\n");}將Consumer函數(shù)中等待Full信號(hào)量的代碼行WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,INFINITE);替換為while(WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,300)){printf("Consumerwaitforfullsemaphoretimeout\n");}啟動(dòng)調(diào)試新的生產(chǎn)者－消費(fèi)者項(xiàng)目，查看在虛擬機(jī)中輸出的結(jié)果，驗(yàn)證信號(hào)量超時(shí)等待功能是否能夠正常執(zhí)行。如果有錯(cuò)誤，可以調(diào)試內(nèi)核代碼來查找錯(cuò)誤，然后在內(nèi)核項(xiàng)目中修改，并重復(fù)步驟1。如果超時(shí)等待功能已經(jīng)能夠正常執(zhí)行，可以考慮將消費(fèi)者線程修改為一次消費(fèi)兩個(gè)產(chǎn)品，來測試ReleaseCount參數(shù)是否能夠正常使用。使用實(shí)驗(yàn)文件夾中NewConsumer.c文件中的Consumer19函數(shù)替換原有的Consumer函數(shù)。四、思考題1.思考在ps/semaphore.c文件內(nèi)的PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函數(shù)中，為什么要使用原子操作？可以參考本書第2章中的第2.6節(jié)。20答：等待和釋放操作都是原語操作,在執(zhí)行等待信號(hào)量和釋放信號(hào)量的時(shí)候，不能被打斷，所以cpu是不允許響應(yīng)外部中斷的，如果此時(shí)cpu響應(yīng)了外部中斷，中間的某些共用的變量會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的變化，無法正常完正常的操作。2.繪制ps/semaphore.c文件內(nèi)PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函數(shù)的流程圖。(1)PsWaitForSemaphore21開始INFINITE!=MillisecondsNoASSERT(KeGetIntNesting()==0);IntState=KeEnableInterrupts(FALSE);Semphore->Count--;Semphore->Count<0YesPspWait(&Semphore->WaitListHead,INFINITE);KeEnableInterrupts(IntState);returnSTATUS_SUCCESS;結(jié)束(2)PsReleaseSemaphore

YesASSERT(FALSE);returnSTATUS_INVALID_PARAMETER;22開始ReleaseCount!=1 YesNoIntState=KeEnableInterrupts(FALSE);Semaphore->Count+ReleaseCount>Semaphore->MaximumCountYesASSERT(FALSE);NoreturnSTATUS_INVALID_PNULL!=PreviousCountYesARAMETER;Status=STATUS_S*PreviousCount=Semaphore->Count;EMAPHORE_LIMIT_EXCNoEEDEDSemaphore->Count++;YesSemaphore->Count<=0YesNoPspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead,STATUS_SUCCESS);PspSchedule();Status=STATUS_SUCCESSPspSched