操作系统实验191Word格式.docx

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操作系统实验191Word格式.docx

班级的以班级编号命名。

5.需要程序可视性要好，要有试验程序证明作品的正确性。

6.所有的实验报告采用A4打印，字体字号采用模版规定。

7.源程序要加注释，要有测试数据及结果。

8.每个实验的报告要另起一页。

实验一进程同步和互斥

一、实验目的

1．掌握临界资源、临界区概念及并发进程互斥、同步访问原理。

2．学会使用高级语言进行多线程编程的方法。

3．掌握利用VC++或Java语言线程库实现线程的互斥、条件竞争，并编码实现P、V操作，利用P、V操作实现两个并发线程对有界临界区的同步访问。

4．通过该实验，学生可在源代码级完成进程同步互斥方案的分析、功能设计、编程实现，控制进程间的同步、互斥关系。

二、实验要求

1．知识基础：

学生应在完成进程和线程及调度等章节的学习后进行。

2．开发环境与工具：

硬件平台——个人计算机。

软件平台-Windows操作系统，vc++语言或Java语言开发环境。

3．运用高级语言VC++或Java语言线程库及多线程编程技术进行设计实现。

三、实验内容

1．实现临界资源、临界区、进程或线程的定义与创建。

2．利用两个并发运行的进程，实现互斥算法和有界缓冲区同步算法。

四、实验方案指导

该实验方案由以下几个关键设计项目组成：

1．并发访问出错

即设计一个共享资源，创建两个并发线程，二者并发访问该共享资源。

当没有采用同步算法设计时，线程所要完成的某些操作会丢失。

2．互斥锁

并发线程使用线程库提供的互斥锁，对共享资源进行访问。

3．软件方法

设计并编程实现计数信号量、P操作函数、V操作函数，并发线程通过调用P，V操作函数实现线程的互斥。

4．同步访问多缓冲区

利用上面的软件方法完成P，V操作可实现两个线程对多缓冲区的同步访问。

五、实验方案实现范例

以下是对该项目中包含的部分设计功能的实现方法、实现过程、技术手段的描述，供参考。

1．模拟线程并发运行。

假设我们使用POSIX线程库，而POSIX并没有真正提供线程间的并发运行需求。

我们设计的系统应支持符合RR调度策略的并发线程，每个线程运行一段时间后自动挂起，另一个线程开始运行。

这样一个进程内所有线程以不确定的速度并发执行。

2．模拟一个竞争条件——全局变量。

创建两个线程tl和t2，父线程主函数main（）定义两个全局变量accntl和accnt2，每个变量表示一个银行账户，初始化为0。

每个线程模拟一个银行事务：

将一定数额的资金从一个账户转到另一个账户。

每个线程读入一个随机值，代表资金数额，在一个账户上做减法，在另一个账户上做加法，用两个变量记录两个账户的收支情况。

良性情况下收支应平衡，即两个全局变量之和应为0。

下面是每个线程的代码：

counter=0;

do{

tmp1=accnt1;

tmp2=accnt2;

r=random（）;

accnt1=tmp1+r;

accnt2=tmp2-r;

counter++;

}while（accnt1+accnt2==0）;

printf（”%d”,counter）;

=============================================================

两个线程运行的代码相同，只要各自代码不被交叉执行，两个收支余额之和就应一直为0，如果线程被交叉执行，某个线程可能会读入一个旧的accntl值和一个新的accnt2值，或者相反，这样会导致某个值的丢失。

当这种情况出现时，线程停止运行，并把出现情况的位置Counter的值）打印出来。

3．模拟一个竞争条件——共享文件。

主线程创建两个共享文件fl和f2，每个文件包含一个当前银行账户。

线程使用随机数对文件进行读／写，方式同上。

注意：

文件在读／写过程中不要加互斥访问锁，避免出现不会出现交叉访问的情况。

4．测试出现一个竞争条件的时间。

我们的编程环境中，一般无法支持线程的RR调度，必须编程实现两个线程间在两个赋值语句之间插入以下代码：

在指定区间（比如0到1）生成一个随机数，小于一个极限值（如0.1），调用线程自动挂起函数jield（），自动放弃CPU，另一运行，于是导致一个数据更新的丢失。

5．互斥锁。

POSIX线程库提供一个二值信号量，称为MUTEX，它可以加锁或解锁。

如果已被另一个线程加上锁的MUTEX加锁，就会引发该线程被阻塞，MUTEX解锁时唤醒它。

使用这些原语，很容易实现互斥进入CS（临界区）。

进入CS区时加锁，离开CS区时解锁。

系统负责阻塞或唤醒线程。

6．用软件方法实现互斥访问临界区。

用标准编程语言设置变量的值，用线程“忙等待”实现互斥访问CS。

设计两线程部分代码如下：

intcl=0,c2=0,will_wait;

p1:

while（l）{

cl=l;

will_wait=l;

while（c2&

（will_wait==1））;

/*忙等待*/

csl;

cl=0;

programl;

}

p2:

c2=1;

will_wait=2;

while（cl&

（will_wait==2）;

/*忙等待*/

cs2;

c2=0;

program2;

该软件方法使用三个变量cl，c2，will_wait，解决两个线程的同步问题。

两个线程分别将c1和c2设置为1，表示自己试图进入临界区，并将will_wait分别设置为1和2，以消除任何竞争条件。

通过“忙等待”循环实现线程的阻塞。

当线程退出CS区时，分别将变量c1和c2设置为0。

我们可以比较互斥锁和软件方法这两种解决方法的效率。

可以通过重复相同的循环次数，测量各自的执行时间，尽量减少可能的外部干扰，重复测试几次，并计算平均值。

以下部分由学生填写：

1.程序流程图

2.实验结果

3.结果分析

实验二进程及其资源管理

1．理解资源共享与互斥特性以及操作系统管理资源的基本方法。

3．掌握利用VC++或Java线程库实现一个管理器，用来实现操作系统对进程及其资源的管理功能。

4．通过该实验，学生可在源代码级完成进程及其资源管理方案的分析、功能设计、编程实现，控制进程间的同步、互斥关系。

学生应在完成对进程和线程、调度、死锁等章节的学习后进行。

软件平台——Windows操作系统，根据需要，任选安装VC++语言、java语言或C语言开发环境。

1．开发一个函数，建立进程控制块和资源控制块结构，并实现相关数据结构的初始化。

2．开发一系列操作，由进程调用这些操作，达到控制进程申请或释放各种资源的目的。

四、实验方案指导

该实验方案由以下几个关键设计项目组成：

1．进程数据结构表示。

2．资源数据结构表示。

3．进程对资源的操作。

4．调度程序。

5．用户功能shell界面。

以下是对该项目中包含的设计功能的实现方法、实现过程、技术手段的描述，供参考。

1．进程数据结构表示。

使用结构类型设计实现进程PCB表，它包含以下成员：

①进程ID——进程的唯一标识，供其他进程引用该进程；

②内存——是一个指针链表，它在创建进程时已申请完毕，可用链表实现；

③其他资源——指除去内存之外的所有资源；

④进程状态——包括两个数据类型，一个是状态码，另一个是状态队列链表指针；

⑤生成树——包括两个数据类型，本进程的父进程和本进程的子进程；

⑥优先级——供进程调度程序使用，用来确定下一个运行进程，可以设定为静态整数。

2．资源数据结构。

每个资源都用一个称为资源控制块的数据结构表示。

使用结构类型设计实现资源控制块RCB。

资源控制块包括以下字段成员：

①RID-资源的唯一标识，由进程引用；

②资源状态——空闲／已分配；

③等待队列——是被本资源阻塞的进程链表，本资源正被其他所有资源都设定为静态数据，系统启动时初始化。

3．进程管理及进程对资源的操作。

进程操作及进程状态转换归纳如下：

①进程创建——（无）→就绪；

②申请资源——运行→阻塞；

③资源释放——阻塞→就绪；

④删除进程——（任何状态）→（无）；

5.调度程序——就绪→运行或运行→就绪。

具体实现步骤如下：

（1）根据上述数据结构，用高级语言设计相应函数，分别实现创建进程、删除进程、挂起进程、唤醒进程等功能。

（2）设计一个函数，实现调度程序，在每个进程操作执行完毕后，自动调用执行。

（3）实现两个资源操作：

申请资源和释放资源。