《操作系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告-線程與進(jìn)程同步與互斥

《操作系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目：線程與進(jìn)程同步與互斥實(shí)驗(yàn)概述【實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙蟆?。生產(chǎn)者消費(fèi)者問題（信號(hào)量）參考教材中的生產(chǎn)者消費(fèi)者算法，創(chuàng)建5個(gè)進(jìn)程，其中兩個(gè)進(jìn)程為生產(chǎn)者進(jìn)程，3個(gè)進(jìn)程為消費(fèi)者進(jìn)程。一個(gè)生產(chǎn)者進(jìn)程試圖不斷地在一個(gè)緩沖中寫入大寫字母，另一個(gè)生產(chǎn)者進(jìn)程試圖不斷地在緩沖中寫入小寫字母。3個(gè)消費(fèi)者不斷地從緩沖中讀取一個(gè)字符并輸出。為了使得程序的輸出易于看到結(jié)果，仿照的實(shí)例程序，分別在生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程的合適的位置加入一些隨機(jī)睡眠時(shí)間?？蛇x的實(shí)驗(yàn)：在上面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)部分消費(fèi)者有選擇地消費(fèi)某些產(chǎn)品。例如一個(gè)消費(fèi)者只消費(fèi)小寫字符，一個(gè)消費(fèi)者只消費(fèi)大寫字母，而另一個(gè)消費(fèi)者則無選擇地消費(fèi)任何產(chǎn)品。消費(fèi)者要消費(fèi)的產(chǎn)品沒有時(shí)，消費(fèi)者進(jìn)程被阻塞。注意緩沖的管理。2。用線程實(shí)現(xiàn)睡覺的理發(fā)師問題，（同步互斥方式采用信號(hào)量或mutex方式均可）理發(fā)師問題的描述：一個(gè)理發(fā)店接待室有n張椅子，工作室有1張椅子；沒有顧客時(shí)，理發(fā)師睡覺；第一個(gè)顧客來到時(shí)，必須將理發(fā)師喚醒；顧客來時(shí)如果還有空座的話，他就坐在一個(gè)座位上等待；如果顧客來時(shí)沒有空座位了，他就離開，不理發(fā)了；當(dāng)理發(fā)師處理完所有顧客，而又沒有新顧客來時(shí)，他又開始睡覺。3。讀者寫者問題教材中對(duì)讀者寫者問題算法均有描述，但這個(gè)算法在不斷地有讀者流的情況下，寫者會(huì)被阻塞。編寫一個(gè)寫者優(yōu)先解決讀者寫者問題的程序，其中讀者和寫者均是多個(gè)進(jìn)程，用信號(hào)量作為同步互斥機(jī)制。【實(shí)驗(yàn)環(huán)境】操作系統(tǒng)：Linuxmint編譯器：gcc實(shí)驗(yàn)內(nèi)容【實(shí)驗(yàn)過程】實(shí)驗(yàn)步驟：生產(chǎn)者消費(fèi)者問題（信號(hào)量）1.1實(shí)驗(yàn)原理：通過一個(gè)有界緩沖區(qū)把生產(chǎn)者和消費(fèi)者聯(lián)系起來。假定生產(chǎn)者和消費(fèi)者的優(yōu)先級(jí)是相同的，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者就可以生產(chǎn)產(chǎn)品并將產(chǎn)品送入緩沖區(qū)。類似地，只要緩沖區(qū)未空，消費(fèi)者就可以從緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品。應(yīng)該禁止生產(chǎn)者向滿的緩沖區(qū)送入產(chǎn)品，同時(shí)也應(yīng)該禁止消費(fèi)者從空的緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品，這一機(jī)制有生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者進(jìn)程程之間的互斥關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。與計(jì)算打印兩進(jìn)程同步關(guān)系相同，生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩進(jìn)程P和C之間應(yīng)滿足下列兩個(gè)同步條件：

①

只有在緩沖池中至少有一個(gè)緩沖區(qū)已存入消息后，消費(fèi)者才能從中提取信息，否則消費(fèi)者必須等待。

②

只有緩沖池中至少有一個(gè)緩沖區(qū)是空時(shí)，生產(chǎn)者才能把消息放入緩沖區(qū)，否則生產(chǎn)者必須等待。1.2偽代碼：//創(chuàng)建信號(hào)量并初始化semaphoremutex=1;//對(duì)緩存區(qū)設(shè)置臨界區(qū)semaphorefull=0;//緩沖區(qū)已經(jīng)被占據(jù)的數(shù)目Semaphoreempty=N;//緩沖區(qū)空巣數(shù)目//生產(chǎn)者voidproduce(){While(1){P(empty);P(mutex);addToBuf();V(mutex);V(full);}}//消費(fèi)者voidconsumer(){While(1){P(full);P(mutex);moveFromBuf();V(mutex);V(empty);}}1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析分析：創(chuàng)建5個(gè)進(jìn)程，其中兩個(gè)進(jìn)程為生產(chǎn)者進(jìn)程，3個(gè)進(jìn)程為消費(fèi)者進(jìn)程。一個(gè)生產(chǎn)者進(jìn)程試圖不斷地在一個(gè)緩沖中寫入大寫字母，另一個(gè)生產(chǎn)者進(jìn)程試圖不斷地在緩沖中寫入小寫字母。3個(gè)消費(fèi)者不斷地從緩沖中讀取一個(gè)字符并輸出。生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩進(jìn)程P和C之間應(yīng)滿足下列兩個(gè)同步條件：

①

只有在緩沖池中至少有一個(gè)緩沖區(qū)已存入消息后，消費(fèi)者才能從中提取信息，否則消費(fèi)者必須等待。

②

只有緩沖池中至少有一個(gè)緩沖區(qū)是空時(shí)，生產(chǎn)者才能把消息放入緩沖區(qū)，否則生產(chǎn)者必須等待。用線程實(shí)現(xiàn)睡覺的理發(fā)師問題2.1設(shè)計(jì)原理利用三個(gè)信號(hào)量和一個(gè)控制變量來協(xié)調(diào)理發(fā)師、理發(fā)椅和顧客之間的活動(dòng)。

1.信號(hào)量customers用來記錄等候理發(fā)的顧客數(shù)，并用于阻塞理發(fā)師進(jìn)程，初值為0

2.信號(hào)量barbers記錄正在等候顧客的理發(fā)師數(shù)，初值為1

3.信號(hào)量waiting用來記錄等候理發(fā)的顧客數(shù)，初值為0

4.信號(hào)量mutex為waiting變量設(shè)置臨界區(qū)，初值為12.2偽代碼Semaphorecustomers=0;Semaphorebarbers=1;Semaphoremuttex=1;Intchairs=N;Intwaiting=0;Voidbarber(){While(1){P(cutomers);//若無顧客,理發(fā)師睡眠P(mutex);//進(jìn)程互斥waiting:=waiting–1;//等候顧客數(shù)少一個(gè)V(barbers);//理發(fā)師去為一個(gè)顧客理發(fā)V(mutex);//開放臨界區(qū)cuthair();//正在理發(fā)}}Voidconstomer(){While(1){P(mutex);//進(jìn)程互斥if(waiting<chairs){waiting:=waiting+1;//等候顧客數(shù)加1V(customers);//必要的話喚醒理發(fā)師V(mutex);//開放臨界區(qū)P(barbers);//無理發(fā)師,顧客坐著養(yǎng)神get-haircut();//一個(gè)顧客坐下等理/}elseV(mutex);//人滿了,走吧!}}2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析分析：理發(fā)店接待室有n張椅子，工作室有1張椅子；沒有顧客時(shí)，理發(fā)師睡覺；第一個(gè)顧客來到時(shí)，必須將理發(fā)師喚醒；顧客來時(shí)如果還有空座的話，他就坐在一個(gè)座位上等待；如果顧客來時(shí)沒有空座位了，他就離開，不理發(fā)了；讀者寫者問題3.1設(shè)計(jì)原理寫者優(yōu)先，一旦一個(gè)寫者到來，它應(yīng)該盡快對(duì)文件進(jìn)行寫操作。則新來到的讀者不允許進(jìn)行讀操作。讀者到：1）無讀者且無寫者，新讀者讀2）有讀者但無寫者等待，新讀者讀3）有讀者但有寫著等待，讀者等待4）有寫者在寫，新讀者等待寫者到：1）無讀者且無寫者，新寫者寫2）有讀者在讀，新寫者等待3）有寫者寫，新寫者等待3.2偽代碼read:=1//讀者信息量，用于第一個(gè)寫者與讀者互斥readcount:=0//記錄當(dāng)前讀者的進(jìn)程數(shù)mutex:=1//readcount變量的臨界區(qū)的鎖writecount:=0//記錄當(dāng)前寫者排隊(duì)的進(jìn)程數(shù)write:=1//寫者信息量，用于寫者互斥，第一個(gè)讀者與寫者互斥mutex2:=1//writecount的臨界區(qū)的鎖//讀者進(jìn)程Voidreader(){While(1){

P(read)

P(mutex)

V(read)

readcount:=readcount+1;

if(readcount=1)

P(write)

V(mutex)

讀文件

P(mutex)

readcount:=readcount-1

if(readcount=0)

V(write)

V(mutex)}//endofwhile}//endoffunction//寫者進(jìn)程Voidwriter(){While(1){P(mutex2)

writecount:=writecount+1

if(writecount=1)

P(read)

V(mutex2)

P(write)

寫文件

V(write)

P(mutex2)

writecount:=writecount-1

if(writecount=0)

V(read)

V(mutex2)}}3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析分析：讀者到：1）無讀者且無寫者，新讀者讀2）有讀者但無寫者等待，新讀者讀3）有讀者但有寫著等待，讀者等待4）有寫者在寫，新讀者等待寫者到：1）無讀者且無寫者，新寫者寫2）有讀者在讀，新寫者等待3）有寫者寫，新寫者等待實(shí)驗(yàn)參考函數(shù)用于Linux進(jìn)程通信共享內(nèi)存。共享內(nèi)存函數(shù)由shmget、shmat、shmdt、shmctl四個(gè)函數(shù)組成。信號(hào)集操作函數(shù)：intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg);Intsemop(intsemSetId,sembufbuf,intlength)線程操作函數(shù)pthread_create（）pthread_mutex_unlock()pthread_mutex_lock()信號(hào)操作函數(shù)：Sem_init()Sem_wait()Sem_post()小結(jié)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題該問題描述了兩個(gè)共享固定大小緩沖區(qū)的進(jìn)程或線程——即所謂的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”——在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生的問題。生產(chǎn)者的主要作用是生成一定量的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中，然后重復(fù)此過程。與此同時(shí)，消費(fèi)者也在緩沖區(qū)消耗這些數(shù)據(jù)。該問題的關(guān)鍵就是要保證生產(chǎn)者不會(huì)在緩沖區(qū)滿時(shí)加入數(shù)據(jù)，消費(fèi)者也不會(huì)在緩沖區(qū)中空時(shí)消耗數(shù)據(jù)。理發(fā)師問題：一個(gè)理發(fā)店接待室有n張椅子，工作室有1張椅子；沒有顧客時(shí)，理發(fā)師睡覺；第一個(gè)顧客來到時(shí)，必須將理發(fā)師喚醒；顧客來時(shí)如果還有空座的話，他就坐在一個(gè)座位上等待；