南昌大学操作系统实验综合Word文档格式.docx
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七、参考资料
---
（2）编程模拟进程间的同步和互斥
□验证□综合■设计□创新实验日期：
通过实验加强对进程同步和互斥的理解，并掌握进程（线程）的创建和调用方法。
学会使用信号量解决资源共享问题。
学生可以自己选择在Windows或Linux系统下编写。
1．以下为Linux系统下参考程序，请编译、运行并观察程序的输出，并分析实验结果，写出实验报告。
#include<
stdlib.h>
unistd.h>
sys/types.h>
sys/wait.h>
linux/sem.h>
#defineNUM_PROCS5
#defineSEM_ID250
#defineFILE_NAME"
/tmp/sem_aaa"
#defineDELAY4000000
voidupdate_file（intsem_set_id,char*file_path,intnumber）{
structsembufsem_op;
FILE*file;
//等待信号量的数值变为非负数，此处设为负值，相当于对信号量进行P操作
sem_op.sem_num=0;
sem_op.sem_op=-1;
sem_op.sem_flg=0;
semop（sem_set_id,&
sem_op,1）;
//写文件，写入的数值是当前进程的进程号
file=fopen（file_path,"
w"
）;
if（file）{//临界区
fprintf（file,"
%d\n"
number）;
printf（"
fclose（file）;
}
//发送信号，把信号量的数值加1，此处相当于对信号量进行V操作
sem_op.sem_op=1;
//子进程写文件
voiddo_child_loop（intsem_set_id,char*file_name）{
pid_tpid=getpid（）;
inti,j;
for（i=0;
i<
3;
i++）{
update_file（sem_set_id,file_name,pid）;
for（j=0;
j<
4000000;
j++）;
intmain（intargc,char**argv）
intsem_set_id;
//信号量集的ID
unionsemunsem_val;
//信号量的数值，用于semctl（）
intchild_pid;
inti;
intrc;
//建立信号量集，ID是250，其中只有一个信号量
sem_set_id=semget（SEM_ID,1,IPC_CREAT|0600）;
if（sem_set_id==-1）{
perror（"
main:
semget"
exit
（1）;
//把第一个信号量的数值设置为1
sem_val.val=1;
rc=semctl（sem_set_id,0,SETVAL,sem_val）;
if（rc==-1）
{
semctl"
//建立一些子进程，使它们可以同时以竞争的方式访问信号量
NUM_PROCS;
child_pid=fork（）;
switch（child_pid）{
case-1:
fork"
case0:
//子进程
do_child_loop（sem_set_id,FILE_NAME）;
exit（0）;
default:
//父进程接着运行
break;
}
//等待子进程结束
intchild_status;
wait（&
child_status）;
we'
redone\n"
fflush（stdout）;
return0;
2．模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。
模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。
[提示]：
（1）PV操作同步机构，由P操作原语和V操作原语组成，它们的定义如下：
P操作原语P（s）：
将信号量s减去1，若结果小于0，则执行原语的进程被置成等待信号量s的状态。
V操作原语V（s）：
将信号量s加1，若结果不大于0，则释放一个等待信号量s的进程。
这两条原语是如下的两个过程：
procedurep（vars:
semaphore）;
begins:
=s-1;
ifs<
0thenW（s）
end{p}
procedurev（vars:
begins:
=s+1;
=0thenR（s）
end{V}
其中W（s）表示将调用过程的进程置为等待信号量s的状态；
R（s）表示释放一个等待信号量s的进程。
在系统初始化时应把semaphore定义为某个类型，为简单起见，在模拟实验中可把上述的semaphore直接改成integer。
（2）生产者——消费者问题。
假定有一个生产者和消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。
消费者每次从缓冲器内取出一件产品去消费。
禁止生产者将产品放入已满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。
假定缓冲器内可同时存放10件产品。
那么，用PV操作来实现生产者和消费者之间的同步，生产者和消费者两个进程的程序如下：
B:
array[0..9]ofproducts;
s1,s2:
semaphore;
IN,out;
integer;
IN:
=0;
out:
cobegin
procedureproducer;
c:
products;
begin
L1:
produce（c）;
p（s1）;
B[IN]:
=C;
=（IN+1）mod10;
v（s2）;
gotoL1
end;
procedureconsumer;
x:
L2:
P（s2）;
=B[out];
=（out+1）mod10;
v（s1）;
consume（x）;
gotoL2
coend
其中的semaphore和products是预先定义的两个类型，在模拟实现中semaphore用integer或char等代替。
（3）进程控制块PCB。
为了纪录进程执行时的情况，以及进程让出处理器后的状态，断点等信息，每个进程都有一个进程控制块PCB。
在模拟实验中，假设进程控制块的结构如图4-1。
其中进程的状态有：
运行态、就绪态、等待态和完成态。
当进程处于等待态时，在进程控制块PCB中要说明进程等待原因（在模拟实验中进程等待原因为等待信号量s1或s2）；
当进程处于等待态或就绪态时，PCB中保留了断点信息，一旦进程再度占有处理器则就从断点位置继续运行；
当进程处于完成状态，表示进程执行结束。
进程名
状态
等待原因
断点
图4-1进程控制块结构
（4）处理器的模拟。
计算机硬件提供了一组机器指令，处理器的主要职责是解释执行机器指令。
为了模拟生产者和消费者进程的并发执行，我们必须模拟一组指令和处理器职能。
模拟的一组指令见图4-2，其中每条指令的功能由一个过程来实现。
用变量PC来模拟“指令计数器”，假设模拟的指令长度为1，每执行一条模拟指令后，PC加1，指出下一条指令地址。
使用模拟的指令，可把生产者和消费者进程的程序表示为图4-3的形式。
定义两个一维数组PA[0..4]和SA[0..4],每一个PA[i]存放生产者程序中的一条模拟指令执行的入口地址；
每个SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。
于是模拟处理器执行一条指令的过程为：
取出PC之值，按PA[PC]或SA[PC]得模拟指令执行的入口地址，将PC之值加1，转向由入口地址确定的相应的过程执行。
（5）程序设计
本实验中的程序由三部分组成：
初始化程序、处理器调度程序、模拟处理器指令执行程序。
各部分程序的功能及相互间的关系由图4-4至图4-7指出。
模拟的指令
功能
P（s）
执行P操作原语
V（s）
执行v操作原语
put
=product;
=（IN+1）mod10
GET
X:
=（out+1）mod10
produce
输入一个字符放入C中
consume
打印或显示x中的字符
GOTOL
PC:
L
NOP
空操作
图4-2模拟的处理器指令
序号
生产者程序
消费者程序
P（s2）
1
P（s1）
2
PUT
V（s1）
3
V（s2）
4
goto0
图4-3生产者和消费者程序
初始化程序：
模拟实验的程序从初始化程序入口启动，初始化工作包括对信号量S1、S2赋初值，对生产者、消费者进程的PCB初始化。
初始化后转向处理器调度程序，其流程如图4-4
处理器调度程序：
在计算机系统中，进程并发执行时，任一进程占用处理器执行完一条指令后就有可能被打断而让出处理器由其他进程运行。
故在模拟系统中也类似处理，每当执行一条模拟的指令后，保护当前进程的现场，让它成为非运行状态，由处理器调度程序按随机数再选择一个就绪进程占用处理器运行。
处理器调度程序流程见图4-5。
图4-4初始化流程
模拟处理器指令执行程序：
按“指令计数器”PC之值执行指定的质量，且PC加1指向下一条指令。
模拟处理器指令执行的程序流程见图4-6和4-7。
另外，为了使得模拟程序有一个结束条件，在图4-6中附加了“生产者运行结束”的条件判断，模拟时可以采取人工选择的方法实现。
图4-7给出了P（S）和V（S）模拟指令执行过程的流程。
其他模拟指令的执行过程已在图4-2中指出。
四、实验报告
（1）实验题目。
（2）打印源程序并附上注释。
（3）从键盘上输入一组字符，由生产者每次读入一个字符供消费者输出。
运行模拟程序，打印依次读入的字符和消费者输出的字符。
（4）把生产者和消费者进程中的P操作、V操作都改成空操作指令，观察在两者不同步的情况下可能出现的与时间有关的错误。
打印依次读入的字符和消费者输出的字符。
图4-5处理器调度程序流程
图4-6模拟处理器指令执行
（1）模拟P（S）
（2）模拟V（S）
图4-7模拟PV操作的执行
1、linux操作系统
2、Windows操作系统
linux操作系统下的操作步骤：
geditsemaphore.c（编辑程序）
gcc–osemaphoresemaphore.c（编译、链接程序）
./semaphore（执行程序）
///////////////////////////////////////////////
//实验二
//模拟信号量的p,v操作
#defineMaxSize10
typedefstruct{
chardata[MaxSize];
intfront,rear;
}queue;
queueq;
intS=0;
voidinit（）
q.front=q.rear=0;
voidin（charc）
q.rear=（q.rear+1）%MaxSize;
q.data[q.rear]=c;
S++;
voidout（char*c）
q.front=（q.front+1）%MaxSize;
*c=q.data[q.front];
S--;
voidproduce（charc）
if（S<
9）
生产了%c\n"
c）;
in（c）;
else
缓冲器已满，不能生产！
\n"
voidconsume（）
if（S>
0）
charc;
out（&
c）;
消费了%c\n"
缓冲器已空，不能消费！
charrandCreate（inta）
if（a<
26）
returna+'
A'
;
a'
-26;
intmain（）
inti,op;
srand（（unsigned）time（NULL））;
while
（1）
请选择你要执行的操作：
1.生产,2.消费,3.结束:
"
scanf（"
%d"
&
op）;
if（1==op）
produce（randCreate（rand（）%52））;
elseif（2==op）
consume（）;
elseif（3==op）
break;
输入有误！
加深了对于PV操作和信号量的理解
---（3）编程实现银行家安全算法
通过实验加强对银行家安全算法的理解和掌握。
熟悉避免死锁发生的方法，死锁与安全序列的关系，编程实现银行家算法，要求输出进程的安全序列。
1、需写出设计说明；
2、设计实现代码及说明
3、运行结果；
#defineN5
#defineM3
intMax[N][M]={7,5,3,3,2,2,9,0,2,2,2,2,4,3,3};
intAllocation[N][M]={0,1,0,2,0,0,3,0,2,2,1,1,0,0,2};
intNeed[N][M]={7,4,3,1,2,2,6,0,0,0,1,1,4,3,1};
intAvailable[M]={3,3,2};
voidprint（）
|资源情况|Max|Allocation|Need|Available|\n"
|进程|ABC|ABC|ABC|ABC|\n"
N;
i++）
|P%d|"
i）;
for（j=0;
M;
j++）
%2d"
Max[i][j]）;
|"
Allocation[i][j]）;
Need[i][j]）;
if（i==0）
Available[j]）;
"
|\n"
//安全性算法
voidsecurity（）
intsq[5];
intfinish[5]={0,0,0,0,0};
intwork[3]={Available[0],Available[1],Available[2]};
intpos=0,n=5;
while（n--）
5;
if（!
finish[i]&
&
Need[i][0]<
=work[0]&
Need[i][1]<
=work[1]&
Need[i][2]<
=work[2]）
sq[pos++]=i;
work[0]+=Allocation[i][0];
work[1]+=Allocation[i][1];
work[2]+=Allocation[i][2];
finish[i]=1;
n&
pos==5）
安全序列为：
P%d"
sq[j]）;
elseif（!
n）
无安全序列！
voidrequest（）
intpid,req[3],i;
请输入要请求的进程号：
pid）;
请依次输入对A，B，C三类资源的请求量：
%d%d%d"
req[0],&
req[1],&
req[2]）;
getchar（）;
intok=1;
if（req[i]>
Need[pid][i]）
错误！
请求资源超过最大需求\n"
ok=0;
Available[i]）
资源不足，请等待！
if（ok==1）
Allocation[pid][i]+=req[i];
charyn='
y'
print（）;
security（）;
if（yn=='
N'
||yn=='
n'
）
request（）;
\n还要继续吗？
请输入y，n:
%c"
yn）;
学会了银行家算法，提高了编程能力。
---（4）进程调度算法的实现
通过实验加强对进程调度算法的理解和掌握。
编写程序实现进程调度算法，具体可以编写程序实现先来先服务算法或优先度高者调度算法。
5、实验数据及处理结果
string.h>
typedefstruct
charid[10];
doublearrivetime;
doubleservicetime;
}process;
processp[100];
sort（intn）
char*s;
doubled;
n;
n-i-1;
if（p[j].arrivetime>
p[j+1].arrivetime）
strcpy（s,p[j].id）;
strcpy（p[j].id,p[j+1].id）;
strcpy（p[j+1].id,s）;
d=p[j].arrivetime;
p[j].arrivetime=p[j+1].arrivetime;
p[j+1].arrivetime=d;
d=p[j].servicetime;
p[j].servicetime=p[j+1].servicetime;
p[j+1].servicetime=d;
intn,i;
doublezhou[100];
doublewz[100];
doubletime=0;
请输入进程的数量：
scan
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