操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5

1、 操作系統(tǒng)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱進(jìn)程的同步學(xué)號(hào)2012201425班級(jí)20122014姓名顏凡騰專業(yè)軟件工程學(xué)生所在學(xué)院軟件學(xué)院指導(dǎo)教師曹雪實(shí)驗(yàn)室名稱地點(diǎn)21b哈爾濱工程大學(xué)軟件學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)概述1. 實(shí)驗(yàn)名稱 進(jìn)程的同步2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖褂?EOS 的信號(hào)量， 編程解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，理解進(jìn)程同步的意義。調(diào)試跟蹤 EOS 信號(hào)量的工作過程，理解進(jìn)程同步的原理。修改 EOS 的信號(hào)量算法，使之支持等待超時(shí)喚醒功能（有限等待），加深理解進(jìn)程同步的原理。3. 實(shí)驗(yàn)類型設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境OS Lab三、實(shí)驗(yàn)過程使用EOS的信號(hào)量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題：立即激活虛擬機(jī)窗口查看生產(chǎn)者

2、消費(fèi)者同步執(zhí)行的過程調(diào)試EOS信號(hào)量的工作過程：創(chuàng)建信號(hào)量按 F5 繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。觀察 PsInitializeSemaphore 函數(shù)中用來初始化信號(hào)量結(jié)構(gòu)體成員的值，應(yīng)該和傳入 CreateSemaphore 函數(shù)的參數(shù)值是一致的按 F10 單步調(diào)試 PsInitializeSemaphore 函數(shù)執(zhí)行的過程，查看信號(hào)量結(jié)構(gòu)體被初始化的過程。打開“調(diào)用堆?！贝翱冢榭春瘮?shù)的調(diào)用層次。等待、釋放信號(hào)量：等待信號(hào)量（不阻塞）按 F10 單步調(diào)試，直到完成 PsWaitForSemaphore 函數(shù)中的所有操作?？梢钥吹酱舜螆?zhí)行并沒有進(jìn)行等待，只是將 Empty 信號(hào)量的計(jì)數(shù)減少了 1

3、（由 10 變?yōu)榱?9）就返回了。釋放信號(hào)量（不換醒）按 F10 單步調(diào)試，直到完成 PsReleaseSemaphore 函數(shù)中的所有操作。可以看到此次執(zhí)行沒有喚醒其它線程（因?yàn)榇藭r(shí)沒有線程在 Full 信號(hào)量上被阻塞），只是將 Full 信號(hào)量的計(jì)數(shù)增加了 1（由 0 變?yōu)榱?1）。等待信號(hào)量（阻塞） 由于開始時(shí)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)產(chǎn)品的速度較快，而消費(fèi)者線程消費(fèi)產(chǎn)品的速度較慢，所以當(dāng)緩沖池中所有的緩沖區(qū)都被產(chǎn)品占用時(shí)，生產(chǎn)者在生產(chǎn)新的產(chǎn)品時(shí)就會(huì)被阻塞.在“調(diào)用堆?！贝翱谥须p擊 Producer 函數(shù)所在的堆棧幀，綠色箭頭指向等待 Empty 信號(hào)量的代碼行，查看 Producer 函數(shù)中變量

4、i 的值為 14，表示生產(chǎn)者線程正在嘗試生產(chǎn) 14 號(hào)產(chǎn)品。在“調(diào)用堆棧”窗口中雙擊 PsWaitForSemaphore 函數(shù)的堆棧幀，查看 Empty 信號(hào)量計(jì)數(shù)（ Semaphore->Count）的值為-1，所以會(huì)調(diào)用 PspWait 函數(shù)將生產(chǎn)者線程放入 Empty 信號(hào)量的等待隊(duì)列中進(jìn)行等待（讓出 CPU）。激活虛擬機(jī)窗口查看輸出的結(jié)果。生產(chǎn)了從 0 到 13 的 14 個(gè)產(chǎn)品，但是只消費(fèi)了從 0 到 13 的14 個(gè)產(chǎn)品，所以緩沖池中的 10 個(gè)緩沖區(qū)就都被占用了，這與之前調(diào)試的結(jié)果是一致的。釋放信號(hào)量（喚醒）只有當(dāng)消費(fèi)者線程從緩沖池中消費(fèi)了一個(gè)產(chǎn)品，從而產(chǎn)生一個(gè)空緩沖區(qū)后

5、，生產(chǎn)者線程才會(huì)被喚醒并繼續(xù)生產(chǎn) 14 號(hào)產(chǎn)品。查看 Consumer 函數(shù)中變量 i 的值為 4。查看 PsReleaseSemaphore 函數(shù)中 Empty 信號(hào)量計(jì)數(shù)（ Semaphore->Count）的值為-1，和生產(chǎn)者線程被阻塞時(shí)的值是一致的。按 F10 單步調(diào)試 PsReleaseSemaphore 函數(shù)，直到在代碼行（第 132 行）PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead, STATUS_SUCCESS)處中斷。此時(shí) Empty 信號(hào)量計(jì)數(shù)的值已經(jīng)由-1 增加為了 0，需要調(diào)用 PspWakeThread 函數(shù)喚醒阻塞

6、在 Empty 信號(hào)量等待隊(duì)列中的生產(chǎn)者線程（放入就緒隊(duì)列中），然后調(diào)用 PspSchedule 函數(shù)執(zhí)行調(diào)度，這樣生產(chǎn)者線程就得以繼續(xù)執(zhí)行。查看 PsWaitForSemaphore 函數(shù)中 Empty 信號(hào)量計(jì)數(shù)（ Semaphore->Count）的值為 0，和生產(chǎn)者線程被喚醒時(shí)的值是一致的。在“調(diào)用堆棧”窗口中可以看到是由 Producer 函數(shù)進(jìn)入的。 激活 Producer 函數(shù)的堆棧幀，查看Producer 函數(shù)中變量 i 的值為 14，表明之前被阻塞的、正在嘗試生產(chǎn) 14 號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)者線程已經(jīng)從 PspWait 函數(shù)返回并繼續(xù)執(zhí)行了。修改EOS的信號(hào)量算法在目前 EOS

7、 Kernel 項(xiàng)目的 ps/semaphore.c 文件中， PsWaitForSemaphore 函數(shù)的 Milliseconds 參數(shù)只能是 INFINITE， PsReleaseSemaphore 函數(shù)的 ReleaseCount 參數(shù)只能是 1 ?，F(xiàn)在要求同時(shí)修改PsWaitForSemaphore 函數(shù)和 PsReleaseSemaphore 函數(shù)中的代碼，使這兩個(gè)參數(shù)能夠真正起到作用，使信號(hào)量對(duì)象支持等待超時(shí)喚醒功能和批量釋放功能。修改 PsWaitForSemaphore 函數(shù)：修改 PsReleaseSemaphore 函數(shù)測(cè)試：按 F5 調(diào)試執(zhí)行原有的生產(chǎn)者消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)

8、目，其結(jié)果如下所示將 Producer 函數(shù)中等待 Empty 信號(hào)量的代碼行WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, INFINITE);替換為while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, 300)printf("Producer wait for empty semaphore timeoutn");將 Consumer 函數(shù)中等待 Full 信號(hào)量的代碼行WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, INFINI

9、TE);替換為while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, 300)printf("Consumer wait for full semaphore timeoutn");啟動(dòng)調(diào)試新的生產(chǎn)者消費(fèi)者項(xiàng)目，查看在虛擬機(jī)中輸出的結(jié)果，驗(yàn)證信號(hào)量超時(shí)等待功能是否能夠正常執(zhí)行。將消費(fèi)者線程修改為一次消費(fèi)兩個(gè)產(chǎn)品，來測(cè)試ReleaseCount 參數(shù)是否能夠正常使用。4、 思考題1、 思考在 ps/semaphore.c 文件內(nèi)的 PsWaitForSemaphore 和PsReleaseSemaphore

10、函數(shù)中，為什么要使用原子操作？可以參考本書第 2 章中的第 2.6 節(jié)。答：當(dāng)在執(zhí)行PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函數(shù)的時(shí)候，是不允許cpu響應(yīng)外部中斷的，如果此時(shí)cpu響應(yīng)了外部中斷，就會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果，無法正常完成函數(shù)的功能。2、 繪制 ps/semaphore.c 文件內(nèi) PsWaitForSemaphore 和 PsReleaseSemaphore 函數(shù)的流程圖。PsWaitForSemaphore流程圖： PsReleaseSemaphore函數(shù)的流程圖: 3、 生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程是如何使用Mutex、Empty信號(hào)量和 Full信

11、號(hào)量來實(shí)現(xiàn)同步的？在兩個(gè)線程函數(shù)中對(duì)這三個(gè)同步對(duì)象的操作能夠改變順序嗎？答：Mutex、Empty、Full三個(gè)信號(hào)量的初始值分別為1、10、0，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)者線程訪問緩沖池時(shí)，首先Empty要減1，如果大于0，就說明還有剩余的緩沖區(qū)可以讓生產(chǎn)者放入產(chǎn)品，小于等于0則生產(chǎn)者線程進(jìn)入等待隊(duì)列；再對(duì)Mutex減1，如果大于等于0，就說明沒有線程占用著緩沖池，小于0則生產(chǎn)者線程進(jìn)入等待隊(duì)列。生產(chǎn)完產(chǎn)品后，對(duì)Mutex值加1，解除封鎖；再對(duì)Full值加1，說明生產(chǎn)了一個(gè)產(chǎn)品占用了一個(gè)緩沖區(qū)。消費(fèi)者線程也是這樣的，對(duì)信號(hào)量的操作順序與生產(chǎn)者線程是相反。不能對(duì)這三個(gè)同步對(duì)象的操作改變順序，否則可能造成死

12、鎖。4、 生產(chǎn)者在生產(chǎn)了13號(hào)產(chǎn)品后本來要繼續(xù)生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品，可此時(shí)生產(chǎn)者為什么必須等待消費(fèi)者消費(fèi)了4號(hào)產(chǎn)品后，才能生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品呢？生產(chǎn)者和消費(fèi)者是怎樣使用同步對(duì)象來實(shí)現(xiàn)該同步過程的呢？答：因?yàn)榕R界資源的訪問是受限制的，程序中限定了緩沖池的大小值為10，只有緩沖池空余時(shí)生產(chǎn)者才能向里邊放產(chǎn)品，同時(shí)只有緩沖池有產(chǎn)品的時(shí)候消費(fèi)者才能向外取東西。當(dāng)生產(chǎn)者生產(chǎn)了13號(hào)產(chǎn)品后，共生產(chǎn)了從0到13的14個(gè)產(chǎn)品，但是只取走了從0到3的4個(gè)產(chǎn)品，所以緩沖池中的10個(gè)緩沖區(qū)就都被占用了，所以不能繼續(xù)生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品，而要等到消費(fèi)者消費(fèi)掉一個(gè)產(chǎn)品后，緩沖池有空余位置，才能繼續(xù)生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)了13號(hào)產(chǎn)品以后，這時(shí)候Full信號(hào)量的值為10，而Empty信號(hào)量的值為0，此時(shí)若生產(chǎn)者線程要再生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，先對(duì)Empty減1，此時(shí)Empty值小于零，生產(chǎn)者線程進(jìn)入等待隊(duì)列；而此時(shí)若有一個(gè)消費(fèi)者線程要消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品，先對(duì)Full減1，此時(shí)Full值為9，大于0，如果沒有線程占用緩沖池，消費(fèi)者可以消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品。這樣，生產(chǎn)者和消費(fèi)者就能實(shí)現(xiàn)同步過程了。5、 實(shí)驗(yàn)體會(huì)通過本次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)EOS操作系統(tǒng)的P、V操作的調(diào)試，以及對(duì)源碼的閱讀，有了一個(gè)更加深入的理解，學(xué)會(huì)了一個(gè)真正運(yùn)行的操作系統(tǒng)中是如何通過信號(hào)量以及P、V操作來解決進(jìn)程同步問題的。我在這次實(shí)驗(yàn)中遇到的難點(diǎn)是修改PsReleas