1、为了通过信号量传送信号,进程可利用P和V两个特殊操作来发送和接收信号,如果协作进程的相应信号仍未到达,则进程被挂起直至信号到达为止。在操作系统中用信号量表示物理资源的实体,它是一个与队列有关的整型变量。具体实现时,信号量是一种变量类型,用一个记录型数据结构表示,有两个分量:一个是信号量的值,另一个是信号量队列的指针。信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。除了赋初值之外,信号量仅能由同步原语PV对其操作,不存在其他方法可以检查或操作信号量,PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。利用信号量和PV操作即可解决并发进程竞争问题,又可解决并发进程协作问题。信号量
2、按其用途可分为两种:公用信号量,联系一组并发进程,相关进程均可在此信号量上执行PV操作,用于实现进程互斥;私有信号量,联系一组并发进程,仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作,而其他相关进程可在其上执行V操作,初值往往为0或正整数,多用于并发进程同步。信号量的定义为如下数据结构:typedef struct semaphore int value; /信号量的值 struct pcb *list; /信号量队列的指针 信号量说明: semaphore s;P、V操作原语描述如下:(1) P(s):s.value-;若s.value0,则执行P(s)的进程继续执行;若s.value0 ,则执行V(
3、s)的进程继续执行; 1.2.3 信号量实现互斥信号量和PV操作可用来解决进程互斥问题。为使多个进程能互斥地访问某临界资源,只需为该资源设置一互斥信号量mutex,并置初值为1,然后将各进程访问该资源的临界区置于P(mutex)和V(mutex)操作之间即可。用信号量和PV操作管理并发进程互斥进入临界区的一般形式为:semaphore mutex;mutex = 1;cobeginprocess Pi() /*i = 1,2, ,n */ P(mutex); /*临界区*/ V(mutex); coend当有进程在临界区中时,mutex的值为0或负值,否则mutex值为1,因为只有一个进程,可
4、用P操作把mutex减至0,故可保证互斥操作,这时试图进入临界区的其它进程会因执行P(mutex)而被迫等待。mutex的取值范围是1-(n-1),表明有一个进程在临界区内执行,最多有n-1个进程在信号量队列中等待。1.2.4 信号量解决生产者消费者问题信号量和PV操作不仅可以解决进程互斥问题,而且是实现进程同步的有力工具。在协作进程之间,一个进程的执行依赖于协作进程的信息或消息,在尚未得到来自协作进程的信号或消息时等待,直至信号或消息到达时才被唤醒。生产者消费者问题是典型的进程同步问题,对于生产者进程:生产一个产品,当要送入缓冲区时,要检查是否有空缓冲区,若有,则可将产品送入缓冲区,并通知消
5、费者进程;否则,等待;对于消费者进程:当它去取产品时,要看缓冲区中是否有产品可取,若有则取走一个产品,并通知生产者进程,否则,等待。这种相互等待,并互通信息就是典型的进程同步。因此应该设两个同步信号量:信号量empty表示可用的空缓冲区的数目,初值为k;信号量full表示可以使用产品的数目,初值为。缓冲区是一个临界资源,必须互斥使用,所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex,其初值为。用信号量机制解决生产者消费者问题可描述如下:item Bk;semaphore empty; empty=k; /可以使用的空缓冲区数semaphore full; full=0; /缓冲区内可以使用的产品数
6、mutex=1; /互斥信号量int in=0; /放入缓冲区指针int out=0; /取出缓冲区指针process producer_i() process consumer() While(true) While(true) produce(); P(full);P(empty); P(mutex);P(mutex); take from Bout;append to Bin; out = (out+1)%k;in = (in+1)%k; V(mutex);V(mutex); V(empty);V(full); consume(); Coend程序中的P(mutex)和V(mutex)必
7、须成对出现,夹在两者之间的代码段是临界区;施加于信号量empty和full上的PV操作也必须成对出现,但分别位于不同的程序中。在生产者消费者问题中,P操作的次序是很重要的,如果把生产者进程中的两个P操作交换次序,那么,当缓冲区中存满k件产品时,生产者又生产一件产品,在它欲向缓冲区存放时,将在P(empty)上等待,由于此时mutex=0,它已经占有缓冲区,这时消费者预取产品时将停留在P(mutex)上而得不到使用缓冲区的权力。这就导致生产者等待消费者取走产品,而消费者却在等待生产者释放缓冲区的占有权,这种互相之间的等待永远不可能结束。所以,在使用信号量和PV操作实现进程同步时,特别要当心P操作
8、的次序,而V操作的次序无关紧要。一般来说,用于互斥的信号量上的P操作总是在后面执行。1.3 生产者消费者问题模拟实现1.3.1 实验内容考虑一个系统中有n个进程,其中部分进程为生产者进程,部分进程为消费者进程,共享具有k个单位的缓冲区。现要求用高级语言编写一个程序,模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行的过程,并采用信号量机制与P、V操作实现生产者进程和消费者进程间同步以及对缓冲区的互斥访问。利用信号量机制解决此问题的算法见3.2.4所示。1.3.2 实验指导1 设计提示(1)本实验并不需要真正创建生产者和消费者进程,每个进程用一个进程控制块(PCB)表示。PCB数据结构如下:typede
9、f struct Process/进程PCB char name10; /进程名 int roleFlag; /进程类型(1:生产者 0: 消费者) int currentState; /进程状态(1: 可运行态 0: 阻塞态) int currentStep; /断点 int data; /临时数据 int code; /进程编号Process;(2)程序中应指定缓冲区的数目,进程总个数等,现考虑共有4个生产者和消费者进程,缓冲区数目是两个,定义如下所示:#define dataBufferSize 2 /缓冲区数目#define processNum 4 /进程数量(生产者、消费者进程总数
10、目)struct DataBuffer /缓冲区 int bufferdataBufferSize; int count; /当前产品数量 dataBuffer;(3)为解决生产者-消费者问题需设两个同步信号量:信号量empty表示可用的空缓冲区的数目,初值为缓冲区数目;信号量定义和说明如下所示:typedef struct Seamphore /信号量 int value; /信号量的值 int *pcq; /信号量队列指针 Seamphore;int producerCongestionQueueprocessNum; /等待信号量empty的阻塞队列int consumerCongest
11、ionQueueprocessNum; /等待信号量full的阻塞队列int shareCongestionQueueprocessNum; /等待信号量mutex的阻塞队列Seamphore empty=dataBufferSize,producerCongestionQueue;Seamphore full=0,consumerCongestionQueue;Seamphore mutex=1,shareCongestionQueue;(4)为模拟多个生产者和多个消费者进程并发执行的过程,首先根据进程总个数产生若干生产者和若干消费者进程,然后随机调度一个处于就绪态的进程,判断是生产者还是消
12、费者,然后执行不同的代码,为模拟并发执行,进程每执行一步操作就中断执行,再调度其他进程运行,在被中断进程的PCB中记录了中断的位置,等到下次被调度执行时则从此位置继续执行。(5)生产者进程执行时分为6步,如下所示:void produce(Process *p) /生产者进程执行代码 switch (p-currentStep) case 1: /1 生产产品 p-data = rand()%1000; printf(%20s: 生产一个产品%d!n, p-name, p-data);currentStep+; break; case 2: /2 申请空缓冲区 P(&empty, p); ca
13、se 3: /3 申请访问缓冲区mutex, p); case 4: /4 将产品送入缓冲区 push(p- 将产品%d正送入缓冲区! case 5: /5 释放缓冲区访问权 V(& case 6: /6 产品已送入缓冲区,产品数量加1full, p);currentStep = 1; (6)消费者进程执行时也分为6步,如下所示:void consume(Process *p) /消费者进程执行代码 /1 申请从缓冲区取出产品 /2 申请访问缓冲区 /3 从缓冲区中取出产品data = pop(); 从缓冲区中正取出产品%d! /4 释放缓冲区访问权 /5 已从缓冲区取出一个产品,空缓冲区数量
14、加1 /6 消费产品 消费产品%d!(6)为对生产者进程和消费者进程并发执行的过程进行分析,理解信号量和P、V操作在进程同步和互斥机制中的运用,要求进程每执行一步都输出每一步的执行情况。2程序流程图(1)程序流程图如图3.2所示:图3.2 程序流程图(2)生产者进程和消费者进程执行时各有6步操作,执行一个操作后会被中断,下次再被调度执行时接着执行下一操作。生产者进程流程图如图3.3所示,消费者进程流程图如图3.4所示。图2.2 生产者进程流程图 图2.3 消费者进程流程图1.3.3 程序示例#include stdio.htime.hstdlib.hstring.hwindows.h int
15、*pcq; / empty:空缓冲区数目 / full:缓冲区内可用的产品 /mutex:互斥信号量typedef struct Process /进程PCB /进程名 /进程类型(1: 生产者 0: 就绪态 0:Process processprocessNum; /进程集合void moveDataForward() int i; for (i = 0; i dataBuffer.count; i+) dataBuffer.bufferi = dataBuffer.bufferi+1;void push(int data) /产品送入缓冲区 dataBuffer.bufferdataBuf
16、fer.count+ = data;int pop() /从缓冲区取出产品 int data = dataBuffer.buffer0; dataBuffer.count-; moveDataForward(); return data;void initProcess() /初始化进程集合 char digitTemp5; srand(time(NULL); processNum; i+) processi.roleFlag = rand()%2; / 随机指定当前进程为生产者或消费者 if (processi.roleFlag) strcpy(processi.name, 生产者); el
17、se 消费者 strcat(processi.name, itoa(i+1, digitTemp, 10); processi.currentState = 1; processi.currentStep = 1; processi.code = i + 1; producerCongestionQueuei = 0; consumerCongestionQueuei = 0; shareCongestionQueuei = 0;void wakeup(int *pcq) /唤醒进程 int code = pcq0 - 1; /取出队首进程 processcode.currentState =
18、 1; /进程置为就绪态 /当进程被唤醒后继续执行任务 if (processcode.roleFlag = 1) /生产者 if (processcode.currentStep = 2) printf( 该进程被唤醒!申请空缓冲区成功!, processcode.name); else if (processcode.currentStep = 3) 申请访问缓冲区成功! else if (processcode.roleFlag = 0) /消费者 if (processcode.currentStep = 1) processcode.data = pop();申请取产品%d成功!,
19、processcode.name, processcode.data); else if (processcode.currentStep = 2) processcode.currentStep+; for (int i = 1; (i processNum) pcqi-1 = 0; pcqi-1 = 0;void sleep(int pcq, int code) /阻塞进程 processcode-1.currentState = 0; /进程置为阻塞态 if (!pcqi) pcqi = code; void P(Seamphore *s, Process *p) /模拟P操作 s-value -= 1; if (s-value= 0) if (p-roleFlag = 1) /生产者 if (p-currentStep = 2) 申请空缓冲区成功!name); else if (p-currentStep = 3) printf(
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