进程的同步实验报告解析.docx

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进程的同步实验报告解析

操作系统

实验报告

课程名称

操作系统实验

课程编号

0906553

实验项目名称

进程的同步

学号

年级

姓名

专业

计算机科学与技术

学生所在学院

计算机科学与技术学院

指导教师

实验室名称地点

哈尔滨工程大学

计算机科学与技术学院

进程的同步

一．实验概述

1.实验名称：

进程的同步

2.实验目的：

1）使用EOS的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义；

2）调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理；

3）修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。

3.实验类型：

验证+设计

4.实验内容：

1）准备实验

2）使用EOS的信号量解决生产者－消费者问题

3）调试EOS信号量的工作过程

4）修改EOS的信号量算法

二．实验环境

操作系统：

windowsXP

编译器：

TevalatonOSLab

语言：

C

三．实验过程

1.设计思路和流程图

2.实验过程

1）准备实验，启动OSLab，新建一个EOSKernel项目和EOS应用程序，将EOSKernel项目中生成的SDK文件覆盖到ROS应用程序项目文件夹中的SDK文件夹；

2）使用pc.c文件中的源代码，替换之前创建的EOS应用程序项目中EOSApp.c文件中的代码，并生成项目，启动调试，忽略调试的异常，立即激活虚拟机窗口中查看生产者－消费者同步执行的过程，结束此次调试；

3）信号量结构体（SEMAPHORE）中的各个成员变量是由API函数CreateSemaphore的对应参数初始化的。

创建信号量，启动调试EOS应用程序，在OSLab弹出的调试异常对话框中选择“是”，进入异常调试，在main函数中创建Empty信号量的代码行添加断点；

EmptySemaphoreHandle=CreateSemaphore（BUFFER_SIZE,BUFFER_SIZE,NULL）;

4）启动调试，逐语句调试进入CreateSemaphore函数。

可以看到此API函数只是调用了EOS内核中的PsCreateSemaphoreObject函数来创建信号量对象，继续逐语句调试试进入semaphore.c文件中的PsCreateSemaphoreObject函数。

在此函数中，会在EOS内核管理的内存中创建一个信号量对象（分配一块内存），而初始化信号量对象中各个成员的操作是在PsInitializeSemaphore函数中完成的；

5）在semaphore.c文件的顶部查找到PsInitializeSemaphore函数的定义，在此函数的第一行代码处添加一个断点，继续调试，，到断点处中断。

观察PsInitializeSemaphore函数中用来初始化信号量结构体成员的值，应该和传入CreateSemaphor函数的参数值是一致的；

6）逐过程单步调试PsInitializeSemaphore函数执行的过程，查看信号量结构体被初始化的过程。

打开“调用堆栈”窗口，查看函数的调用层次；

7）等待信号量（不阻塞），删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试），在eosapp.c文件的Producer函数中，等待Empty信号量的代码行添加一个断点；

WaitForSingleObject（EmptySemaphoreHandle,INFINITE）;

8）继续调试，到断点处中断，WaitForSingleObject函数最终会调用内核中的PsWaitForSemaphore函数完成等待操作。

所以，在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的第一行添加一个断点。

在断点处中断后，逐过程调试，直到完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作。

可以看到此次执行并没有进行等待，只是将Empty信号量的计数减少了1（由10变为了9）就返回了；

9）释放信号量（不阻塞），生产者和消费者刚开始执行时，用来放产品的缓冲区都是空的，所以生产者在第一次调用WaitForSingleObject函数等待Empty信号量时，应该不需要阻塞就可以立即返回；

删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试），在eosapp.c文件的Producer函数中，等待Empty信号量的代码行添加一个断点；

WaitForSingleObject（EmptySemaphoreHandle,INFINITE）;

10）继续调试，到断点处中断，WaitForSingleObject函数最终会调用内核中的PsWaitForSemaphore函数完成等待操作。

所以，在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的第一行添加一个断点；

11）继续调试，在断点处中断，逐过程单步调试，，直到完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作。

可以看到此次执行并没有进行等待，只是将Empty信号量的计数减少了1（由10变为了9）就返回了；

12）释放信号量（不唤醒），删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试），在eosapp.c文件的Producer函数中，释放Full信号量的代码行添加一个断点。

ReleaseSemaphore（FullSemaphoreHandle,1,NULL）;

13）继续调试，到断点处中断，逐语句调试进入ReleaseSemaphore函数，继续按F11调试进入PsReleaseSemaphoreObject函数，使用F10单步调试，当黄色箭头指向第269行时使用F11单步调试，进入PsReleaseSemaphore函数，继续单步调试，直到完成PsReleaseSemaphore函数中的所有操作。

可以看到此次执行没有唤醒其它线程（因为此时没有线程在Full信号量上被阻塞），只是将Full信号量的计数增加了1（由0变为了1）。

生产者线程通过等待Empty信号量使空缓冲区数量减少了1，通过释放Full信号量使满缓冲区数量增加了1，这样就表示生产者线程生产了一个产品并占用了一个缓冲区；

14）等待信号量（阻塞），由于开始时生产者线程生产产品的速度较快，而消费者线程消费产品的速度较慢，所以当缓冲池中所有的缓冲区都被产品占用时，生产者在生产新的产品时就会被阻塞。

结束之前的调试，删除所有的断点，按F5重新启动调试，选择异常调试；

15）在semaphore.c文件中的PsWaitForSemaphore函数的代码行（第78行）添加一个断点；

PspWait（&Semaphore->WaitListHead,INFINITE）;

16）按F5继续调试，并立即激活虚拟机窗口查看输出。

开始时生产者、消费者都不会被信号量阻塞，同步执行一段时间后才在断点处中断。

中断后，查看“调用堆栈”窗口，有Producer函数对应的堆栈帧，说明此次调用是从生产者线程函数进入的。

17）在“调用堆栈”窗口中双击Producer函数所在的堆栈帧，绿色箭头指向等待Empty信号量的代码行，查看Producer函数中变量i的值为14，表示生产者线程正在尝试生产14号产品。

18）在“调用堆栈”窗口中双击PsWaitForSemaphore函数的堆栈帧，查看Empty信号量计数（Semaphore->Count）的值为-1，所以会调用PspWait函数将生产者线程放入Empty信号量的等待队列中进行等待（让出CPU）。

19）激活虚拟机窗口查看输出的结果。

生产了从0到13的14个产品，但是只消费了从0到3的4个产品，所以缓冲池中的10个缓冲区就都被占用了，这与之前调试的结果是一致的。

20）释放信号量（唤醒），只有当消费者线程从缓冲池中消费了一个产品，从而产生一个空缓冲区后，生产者线程才会被唤醒并继续生产14号产品。

删除所有断点，在eosapp.c文件的Consumer函数中，释放Empty信号量的代码行添加一个断点。

ReleaseSemaphore（EmptySemaphoreHandle,1,NULL）;

21）继续调试，到断点处中断，查看Consumer函数中变量i的值为4，说明已经消费了4号产品。

22）使用F10和F11调试进入PsReleaseSemaphore函数，查看PsReleaseSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore->Count）的值为-1，和生产者线程被阻塞时的值是一致的。

23）逐过程单步调试PsReleaseSemaphore函数，直到在代码行处中断。

PspWakeThread（&Semaphore->WaitListHead,STATUS_SUCCESS）;

此时Empty信号量计数的值已经由-1增加为了0，需要调用PspWakeThread函数唤醒阻塞在Empty信号量等待队列中的生产者线程（放入就绪队列中），然后调用PspSchedule函数执行调度，这样生产者线程就得以继续执行。

24）在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的最后一行（第83行）代码处添加一个断点，继续调试，在断点处中断，查看PsWaitForSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore->Count）的值为0，和生产者线程被唤醒时的值是一致的。

25）在“调用堆栈”窗口中可以看到是由Producer函数进入的。

激活Producer函数的堆栈帧，查看Producer函数中变量i的值为14，表明之前被阻塞的、正在尝试生产14号产品的生产者线程已经从PspWait函数返回并继续执行了，结束此次调试。

26）修改EOS的信号量算法。

修改PsWaitForSemaphore函数：

①对于支持等待超时唤醒功能的信号量，其计数值只能是大于等于0。

当计数值大于0时，表示信号量为signaled状态；当计数值等于0时，表示信号量为nonsignaled状态。

所以，值等于0时，调用PspWait函数阻塞线程的执行（将参数Milliseconds做为PspWait函数的第二个参数，并使用PspWait函数的返回值做为返回值）；

②在函数开始定义一个STATUS类型的变量，用来保存不同情况下的返回值，并在函数最后返回此变量的值。

绝不能在原子操作的中途返回；

③在EOSKernel项目ps/sched.c文件查看PspWait函数的说明和源代码；

Satus=flag;

if（Semaphore->Count>0）{

Semaphore->Count--;

flag=STATUS_SUCCESS;

}

elseif（Semaphore->Count==0）

flag=PspWait（&Semaphore->WaitListHead,Milliseconds）;

修改PsReleaseSemaphore函数：

①如果被阻塞的线程数量大于等于ReleaseCount，则循环结束后，有ReleaseCount个线程会被唤醒，而且信号量计数的值仍然为0；

②如果