實驗七同步機構(gòu)

1、實驗七：同步機構(gòu)實驗報告 一、實習內(nèi)容模擬實現(xiàn)用同步機構(gòu)避免發(fā)生進程執(zhí)行時可能出現(xiàn)的與時間有關(guān)的錯誤。二、實習目的進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，進程是并發(fā)執(zhí)行的，也即系統(tǒng)中的多個進程輪流地占用處理器運行。我們把若干個進程都能進行訪問和修改的那些變量稱為公共變量。由于進程是并發(fā)地執(zhí)行的，所以，如果對進程訪問公共變量不加限制，那么就會產(chǎn)生“與時間有關(guān)”的錯誤，即進程執(zhí)行后所得到的結(jié)果與訪問公共變量的時間有關(guān)。為了防止這類錯誤，系統(tǒng)必須要用同步機構(gòu)來控制進程對公共變量的訪問。一般說，同步機構(gòu)是由若干條原語同步原語所組成。本實習要求學生模擬PV操作同步機構(gòu)的實現(xiàn)，模擬進程的并發(fā)執(zhí)行，

2、了解進程并發(fā)執(zhí)行時同步機構(gòu)的作用。三、實習題目模擬PV操作同步機構(gòu)，且用PV操作解決生產(chǎn)者消費者問題。提示：(1) PV操作同步機構(gòu)，由P操作原語和V操作原語組成，它們的定義如下：P操作原語P (s)：將信號量s減去1，若結(jié)果小于0，則執(zhí)行原語的進程被置成等待信號量s的狀態(tài)。V操作原語V (s)：將信號量s加1，若結(jié)果不大于0，則釋放一個等待信號量s的進程。這兩條原語是如下的兩個過程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1; if s<0 then W (s)end pprocedure v (var s: semaphore);egi

3、n s: = s+1; if s£0 then R (s)end v其中W（s）表示將調(diào)用過程的進程置為等待信號量s的狀態(tài)；R（s）表示釋放一個等待信號量s的進程。在系統(tǒng)初始化時應把semaphore定義為某個類型，為簡單起見，在模擬實習中可把上述的semaphore直接改成integer。(2) 生產(chǎn)者消費者問題。假定有一個生產(chǎn)者和一個消費者，生產(chǎn)者每次生產(chǎn)一件產(chǎn)品，并把生產(chǎn)的產(chǎn)品存入共享緩沖器以供消費者取走使用。消費者每次從緩沖器內(nèi)取出一件產(chǎn)品去消費。禁止生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入已滿的緩沖器內(nèi)，禁止消費者從空緩沖器內(nèi)以產(chǎn)品。假定緩沖器內(nèi)可同時存放10件產(chǎn)品。那么，用PV操作來實現(xiàn)生產(chǎn)者和

4、消費者之間的同步，生產(chǎn)者和消費者兩個進程的程序如下：B: array 0.9 of products;s1, s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;IN, out: integer;IN: =0; out: =0;cobegin procedure producer; c: products; beginL1: Produce (c); P (s1); BIN: =C; IN: =(IN+1)mod 10; V (s2); goto L1 end; procedure consumer; x: products; begin L2: p (s2); x: =Bout; o

5、ut: =(out+1) mod10; v (s1); consume (x); goto L2 end;coend.其中的semaphore和products是預先定義的兩個類型，在模擬實現(xiàn)中semaphore用integer代替，products可用integer或char等代替。(3) 進程控制塊PCB。為了記錄進程執(zhí)行時的情況，以及進程讓出處理器后的狀態(tài)，斷點等信息，每個進程都有一個進程控制塊PCB。在模擬實習中，假設(shè)進程控制塊的結(jié)構(gòu)如圖12-1。其中進程的狀態(tài)有：運行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)和完成態(tài)。當進程處于等待態(tài)時，在進程控制塊PCB中要說明進程等待原因（在模擬實習中進程等待原因是為等

6、待信號量s1或s2）；當進程處于等待態(tài)或就緒態(tài)時，PCB中保留了斷點信息，一旦進程再度占有處理器則就從斷點位置繼續(xù)運行；當進程處于完成狀態(tài)，表示進程執(zhí)行結(jié)束。 進程名狀態(tài)等待原因斷點圖12-1 進程控制塊結(jié)構(gòu) (4) 處理器的模擬。計算機硬件提供了一組機器指令，處理器的主要職責是解釋執(zhí)行機器指令。為了模擬生產(chǎn)者和消費者進程的并發(fā)執(zhí)行，我們必須模擬一組指令和處理職能。模擬的一組指令見圖12-2，其中每條指令的功能由一個過程來實現(xiàn)。用變量PC來模擬“指令計數(shù)器”，假設(shè)模擬的指令長度為1，每執(zhí)行一條模擬指令后，PC加1，提出下一條指令地址。使用模擬的指令，可把生產(chǎn)者和消費者進程的

7、程序表示為圖12-3的形式。定義兩個一維數(shù)組PA0.4和SA0.4，每一個PAi存放生產(chǎn)者程序中的一條模擬指令執(zhí)行的入口地址；每個SAi存放消費者程序中的一條模擬指令執(zhí)行的入口地址。于是模擬處理器執(zhí)行一條指令的過程為：取出PC之值，按PAPC或SAPC得模擬指令執(zhí)行的入口地址，將PC之值加1，轉(zhuǎn)向由入口地址確定的相應的過程執(zhí)行。(5) 程序設(shè)計本實習中的程序由三部分組成：初始化程序、處理器調(diào)度程序、模擬處理器指令執(zhí)行程序。各部分程序的功能及相互間的關(guān)系由圖12-4至圖12-7指出。 模擬的指令功 能p (s) 執(zhí)行P操作原語v (s) 執(zhí)行V操作原語put BIN: =product

8、; IN: = (IN+1) mod 10GET x: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce 輸入一個字符放入C中consume 打印或顯示x中的字符GOTO L PC: =LNOP 空操作圖12-2 模擬的處理器指令 序號生產(chǎn)者程序消費者程序0producep (s2)1p (s1)GET2PUTv (s1)3v (s2)consume4goto 0goto 0圖12-3 生產(chǎn)者和消費者程序 ·初始化程序：模擬實習的程序從初始化程序入口啟動，初始化工作包括對信號量s1、s2賦初值，對生產(chǎn)者、消費者進程的PCB初始化。·處

9、理器調(diào)度程序：在計算機系統(tǒng)中，進程并發(fā)執(zhí)行時，任一進程占用處理器執(zhí)行完一條指令后就有可能被打斷而讓出處理器由其它進程運行。故在模擬系統(tǒng)中也類似處理，每當執(zhí)行一條模擬的指令后，保護當前進程的現(xiàn)場，讓它成為非運行態(tài)，由處理器調(diào)度程序按隨機數(shù)再選擇一個就緒進程占用處理器運行。四、實習報告(1) 實習題目。(2) 打印源程序并附上注釋。(3) 從鍵盤上輸入一組字符，由生產(chǎn)者每次讀入一個字符供消費者輸出。運行模擬程序，打印依次讀入的字符和經(jīng)消費者輸出的字符。(4) 把生產(chǎn)者和消費者進程中的P操作、V操作都改成空操作指令，觀察在兩者不同步的情況下可能出現(xiàn)的與時間有關(guān)的錯誤。打印依次讀入的字符和經(jīng)消費者輸出

10、的字符。 1）實驗題目：模擬PV操作同步機構(gòu)，且用PV操作解決生產(chǎn)者消費者問題。2）實驗源代碼：分為四個頭文件。1、a.h頭文件代碼如下：#include<string.h> #include<ctype.h> #include<malloc.h> /* malloc()等 */ #include<limits.h> /* INT_MAX等 */ #include<stdio.h> /* EOF(=Z或F6),NULL */ #include<stdlib.h> /* atoi() */ #include<

11、io.h> /* eof() */ #include<math.h> /* floor(),ceil(),abs() */ #include<process.h> /* exit() */ #include <iostream> using namespace std; #include <time.h> #define BUF 10 /緩存的大小 #define MAX 20 /最大可以輸入的字符2、b.h頭文件代碼如下：/數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和全局變量typedef struct Pcb char name10; /進程名char state

12、10; /運行狀態(tài)char reason10; /若阻塞，其原因int breakp; /斷點保護struct Pcb *next; /阻塞時的順序Pcb,*link;int s1,s2; /信號量link p1;/生產(chǎn)者進程link c1;/消費者進程char strMAX; /輸入的字符串char bufferBUF; /緩沖池int len; /輸入長度int sp=0; /string的指針int in=0; /生產(chǎn)者指針int out=0; /消費者指針char temp; /供打印的臨時產(chǎn)品char rec_pMAX;/生產(chǎn)記錄int rp1=0;/生產(chǎn)記錄指針char rec_c

13、MAX;/消費記錄int rp2=0;/消費記錄指針link ready; /就緒隊列l(wèi)ink b_s1; /s1阻塞隊列l(wèi)ink b_s2; /s2阻塞隊列int pc; /程序計數(shù)器int count; /字符計數(shù)器int con_cnt; /消費計數(shù)器3、c.h頭文件代碼如下：void init(); /初始化void p(int s); /P操作void v(int s); /V操作void block(int s);/阻塞函數(shù)void wakeup(int s);/喚醒函數(shù)void control(); /處理機調(diào)度void processor();/處理機執(zhí)行void print(

14、); /打印函數(shù)void init() /初始化s1=BUF;s2=0;p1=(link)malloc(sizeof(Pcb);/建立新的結(jié)點,并初始化為生產(chǎn)者strcpy(p1->name,"Producer");strcpy(p1->state,"Ready");strcpy(p1->reason,"Null");p1->breakp=0;p1->next=NULL;c1=(link)malloc(sizeof(Pcb);/建立新的結(jié)點,并初始化為消費者strcpy(c1->name,"

15、;Consumer");strcpy(c1->state,"Ready");strcpy(c1->reason,"Null");c1->breakp=0;c1->next=NULL;ready=p1;ready->next=c1;/初始化為生產(chǎn)進程在前，消費進程在后c1->next=NULL;b_s1=NULL;b_s2=NULL;/阻塞進程為NULLpc=0;con_cnt=0; /消費計數(shù)器void p(int s)if(s=1) /p(s1)s1-;if(s1<0) block(1); /阻塞當前

16、生產(chǎn)進程elseprintf("t* s1信號申請成功!n");ready->breakp=pc; /保存斷點else /p(s2)s2-;if(s2<0) block(2);/阻塞當前消費進程elseprintf("t* s2信號申請成功!n");ready->breakp=pc; /保存斷點void v(int s)if(s=1) /v(s1)s1+;if(s1<=0)wakeup(1); /喚醒生產(chǎn)進程ready->breakp=pc; /保存斷點else /v(s2)s2+;if(s2<=0) wakeup(2

17、);/喚醒消費進程ready->breakp=pc; /保存斷點void block(int s)/阻塞函數(shù)的定義link p;int num1=0;int num2=0;if(s=1)/生產(chǎn)進程strcpy(p1->state,"Block");/改變狀態(tài)strcpy(p1->reason,"S1");/說明原因p=b_s1;while(p)num1+;p=p->next;/p的值為NULL,表示隊尾if(!b_s1)b_s1=p1;elsep=p1;p1->next=NULL;printf("t* p1生產(chǎn)進程

18、阻塞了!n");ready->breakp=pc; /保存斷點ready=ready->next;/在就緒隊列中去掉,指向下一個num1+;else/消費進程strcpy(c1->state,"Block");strcpy(c1->reason,"S2");p=b_s2;while(p)num2+;p=p->next;/p的值為NULL,表示隊尾if(!b_s2)b_s2=c1;elsep=c1;ready->breakp=pc; /保存斷點ready=ready->next;/在就緒隊列中去掉,指向下

19、一個c1->next=NULL;printf("t* c1消費進程阻塞了!n");num2+;printf("t* 阻塞的生產(chǎn)進程個數(shù)為:%dn",num1);printf("t* 阻塞的消費進程個數(shù)為:%dn",num2);void wakeup(int s)/喚醒函數(shù)的定義link p;link q=ready;if(s=1) /喚醒b_s1隊首進程,生產(chǎn)進程隊列p=b_s1;b_s1=b_s1->next;/阻塞指針指向下一個阻塞進程strcpy(p->state,"Ready");strc

20、py(p->reason,"Null");while(q)/插入就緒隊列q=q->next;q=p;p->next=NULL;printf("t* p1生產(chǎn)進程喚醒了!n");else /喚醒b_s2隊首進程,消費進程隊列p=b_s2;b_s2=b_s2->next;/阻塞指針指向下一個阻塞進程strcpy(p->state,"Ready");strcpy(p->reason,"Null");while(q->next)/插入就緒隊列q=q->next;q->n

21、ext=p;p->next=NULL;printf("t* c1消費進程喚醒了!n");void control() /處理器調(diào)度程序int rd;int num=0;link p=ready; if(ready=NULL) /若無就緒進程,結(jié)束return;while(p) /統(tǒng)計就緒進程個數(shù)num+;p=p->next;/最終p變?yōu)镹ULLprintf("t* 就緒進程個數(shù)為:%dn",num);time_t t; srand(unsigned) time(&t);rd=rand()%num;/隨機函數(shù)產(chǎn)生隨機數(shù)if(rd=1)p

22、=ready;ready=ready->next;ready->next=p;p->next=NULL;strcpy(ready->state,"Run");strcpy(ready->next->state,"Ready");else strcpy(ready->state,"Run");pc=ready->breakp;void processor() /模擬處理器指令執(zhí)行if(strcmp(ready->name,"Producer")=0) /當前進程為

23、生產(chǎn)者switch(pc) case 0:/produceprintf("t* 生產(chǎn)者生產(chǎn)了字符%cn",strsp);rec_prp1=strsp;/添加到生產(chǎn)記錄 sp=(sp+1)%len;pc+;ready->breakp=pc; /保存斷點break;case 1: /p(s1)pc+;p(1);break;case 2: /putbufferin=rec_prp1; /放到緩沖區(qū)printf("t* %c字符成功入駐空緩存!n",bufferin);rp1+; in=(in+1)%BUF;pc+;ready->breakp=pc;

24、 /保存斷點break;case 3: /v(s2)pc+;printf("t* 釋放一個s2信號n");v(2);break;case 4:/goto01 printf("t* 生產(chǎn)進程goto 0 操作n");pc=0;count-; /剩余字符個數(shù)減1printf("t* 剩余字符count=%d個n",count);ready->breakp=pc; /保存斷點if(count<=0) /生產(chǎn)結(jié)束printf("t* 生產(chǎn)者結(jié)束生產(chǎn)!n");strcpy(p1->state,"S

25、top");strcpy(p1->reason,"Null");ready->breakp=-1;ready=ready->next;/在就緒隊列中去掉 else /當前進程為消費者switch(pc)case 0: /p(s2)pc+;p(2); break;case 1: /getprintf("t* 消費者取字符!n");temp=bufferout;out=(out+1)%BUF;pc+;ready->breakp=pc; /保存斷點break;case 2: /v(s1)pc+;printf("t*

26、釋放一個s1n");v(1);break;case 3: /consumeprintf("t* 消費了字符%cn",temp);rec_crp2=temp;/添加到消費記錄rp2+;con_cnt+;if(con_cnt>=len)strcpy(c1->state,"Stop");/完成態(tài)c1->breakp=-1;return;pc+;ready->breakp=pc; /保存斷點break;case 4: /goto0printf("t* 消費進程goto 0 操作n");pc=0;ready->breakp=pc; /保存斷點void print()int i,j;printf("生產(chǎn)者消費者模擬n");printf("* 模擬過程的字符串為:t");printf("%sn",&str);printf("* 已生產(chǎn):");for(j=0;j<=rp1;j+)printf("%c",rec_pj);printf("n* 空緩存:");for(j=rp2;j<=rp1;j+)printf(&