操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

學(xué)號(hào):0120810340614課程設(shè)計(jì)題目進(jìn)程同步模擬設(shè)計(jì)——生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班級(jí)0806姓名張方紀(jì)指導(dǎo)教師孫玉芬2010年1月20日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 張方紀(jì) 專業(yè)班級(jí)： 計(jì)算機(jī)0806指導(dǎo)教師： 孫玉芬 工作單位：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院題目：進(jìn)程同步模擬設(shè)計(jì)一一生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題初始條件：預(yù)備內(nèi)容：閱讀操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理章節(jié)內(nèi)容，對(duì)進(jìn)程的同步和互斥，以及信號(hào)量機(jī)制度有深入的理解。實(shí)踐準(zhǔn)備：掌握一種計(jì)算機(jī)高級(jí)語言的使用。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）模擬用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題。設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容應(yīng)說明：⑴需求分析；⑵功能設(shè)計(jì)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及模塊說明）；⑶開發(fā)平臺(tái)及源程序的主要部分；⑷測(cè)試用例，運(yùn)行結(jié)果與運(yùn)行情況分析；⑸自我評(píng)價(jià)與總結(jié)：i） 你認(rèn)為你完成的設(shè)計(jì)哪些地方做得比較好或比較出色；ii） 什么地方做得不太好，以后如何改正；iii） 從本設(shè)計(jì)得到的收獲（在編寫，調(diào)試，執(zhí)行過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)）；iv） 完成本題是否有其他方法（如果有，簡(jiǎn)要說明該方法）；時(shí)間安排：設(shè)計(jì)安排一周：周1、周2：完成程序分析及設(shè)計(jì)。周2、周3：完成程序調(diào)試及測(cè)試。周4、周5：驗(yàn)收、撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。（注意事項(xiàng)：嚴(yán)禁抄襲，一旦發(fā)現(xiàn)，一律按0分記）指導(dǎo)教師簽名:系主任（或責(zé)任教師）簽名:進(jìn)程同步模擬設(shè)計(jì)——生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題1課設(shè)任務(wù)本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)在于，通過編寫一個(gè)具體的有關(guān)操作系統(tǒng)進(jìn)程同步互斥的經(jīng)典問題，加強(qiáng)對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步與互斥的機(jī)制的理解。同時(shí)培養(yǎng)提出問題、發(fā)現(xiàn)知識(shí)、使用工具、解決問題的能力。具體地，我們要編制出一個(gè)程序，利用PV原語以及進(jìn)程創(chuàng)建、同步、互斥、銷毀等相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用來模擬“生產(chǎn)者一消費(fèi)者”問題。2背景介紹2.1“生產(chǎn)者一消費(fèi)者”問題（theproducer-consumerproblem）問題描述：一組生產(chǎn)者向一組消費(fèi)者提供消息，它們共享一個(gè)有界緩沖區(qū)n，生產(chǎn)者向其中投放消息，消費(fèi)者從中取得消息。規(guī)則：?對(duì)于生產(chǎn)者進(jìn)程：產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)要送入緩沖區(qū)時(shí)，要檢查緩沖區(qū)是否已滿，若未滿，則可將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，并通知消費(fèi)者進(jìn)程；否則，等待；?對(duì)于消費(fèi)者進(jìn)程：當(dāng)它去取數(shù)據(jù)時(shí)，要看緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)可取，若有則取走一個(gè)數(shù)據(jù)，并通知生產(chǎn)者進(jìn)程，否則，等待。?緩沖區(qū)是個(gè)臨界資源，因此，諸進(jìn)程對(duì)緩沖區(qū)的操作程序是一個(gè)共享臨界區(qū)，所以，還有個(gè)互斥的問題。問題分析：該問題涉及到操作系統(tǒng)進(jìn)程管理當(dāng)中的兩個(gè)重要概念一一同步和互斥。同步，表現(xiàn)在生產(chǎn)者和消費(fèi)者需要協(xié)同工作，步調(diào)不能拉開太大（由緩沖區(qū)大小n決定，n越大，緩沖空間越大，步調(diào)可以拉得越開；n=1時(shí)，必須是生產(chǎn)一個(gè)，消費(fèi)一個(gè)，生產(chǎn)者和消費(fèi)者就完全同步了）。當(dāng)步調(diào)差距超過極限時(shí)，走在前面的當(dāng)前進(jìn)程（生產(chǎn)者）調(diào)用P原語時(shí)由于資源耗盡，被阻塞；步調(diào)靠后的繼續(xù)向前推進(jìn)。由此實(shí)現(xiàn)同步?；コ?，表現(xiàn)在生產(chǎn)者與消費(fèi)者、生產(chǎn)者與生產(chǎn)者、消費(fèi)者與消費(fèi)者任何兩個(gè)成員之間必須互斥地使用緩沖區(qū)。當(dāng)有一個(gè)成員進(jìn)入緩沖區(qū)存/取產(chǎn)品時(shí)，其他成員將被關(guān)在門外排隊(duì)等候（被阻塞）；當(dāng)完畢時(shí)，通知隊(duì)首成員進(jìn)入。由操作系統(tǒng)理論可知，我們需要三個(gè)信號(hào)量，分別命名full,empty,mutex，來分別代表消費(fèi)者的可用資源數(shù)、生產(chǎn)者的可用資源數(shù)、緩沖區(qū)是否可用。初值：full=0（消費(fèi)者無資源可用），empty=N（生產(chǎn)者有N個(gè)資源可用，N代表緩沖區(qū)大?。?，mutex=1（緩沖區(qū)可用）。要模擬多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)，我們要使用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，使多個(gè)函數(shù)或程序同時(shí)地執(zhí)行。鑒于VC下這樣的函數(shù)太過復(fù)雜，Linux下筆者暫未找到，因此我們使用Toyix系統(tǒng)提供的一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)：cobegin。其說明如下：cobegin原型：intcobegin();功能：創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行函數(shù)。參數(shù)：函數(shù)名用0結(jié)束，例如：cobegin(f1,f2,f3,0);返回值：創(chuàng)建子進(jìn)程的個(gè)數(shù)。說明：所有子進(jìn)程共享數(shù)據(jù)段，主進(jìn)程撤銷，所有子進(jìn)程將被撤銷。我們于下一小節(jié)具體講述有關(guān)Toyix的背景知識(shí)。2.2Toyix簡(jiǎn)介2.2.1概述Toyix是我國著名計(jì)算機(jī)教育家王爽老師開發(fā)的一個(gè)專門用于操作系統(tǒng)基礎(chǔ)理論教學(xué)的軟件。該軟件很好的解決了目前存在于計(jì)算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程教學(xué)中無法使學(xué)習(xí)者獲得實(shí)踐體驗(yàn)和對(duì)理論直觀的了解的問題。以下是Toyix軟件的重要意義和特點(diǎn)的描述：(該軟件下載地址)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學(xué)中存在的問題：?重理論輕實(shí)踐，學(xué)習(xí)的理論沒有與編程結(jié)合，使學(xué)習(xí)者無法獲得實(shí)際的體驗(yàn)。?以u(píng)nix或windows為平臺(tái)實(shí)踐，這兩種系統(tǒng)比較復(fù)雜，須學(xué)習(xí)許多相關(guān)的知識(shí)，分散學(xué)習(xí)者的精力，不能把主要精力放在操作系統(tǒng)的問題的研究上。因此我們需要一個(gè)既能提供編程體驗(yàn)，又不能太復(fù)雜的試驗(yàn)平臺(tái)。為了解決這個(gè)問題，王爽老師開發(fā)了一個(gè)專門用于操作系統(tǒng)基礎(chǔ)理論教學(xué)的系統(tǒng)—Toyix。Toyix的特點(diǎn)：1、 Toyix小巧簡(jiǎn)單Toyix安裝包只有幾百KB，下載后解壓即可使用。2、 Toyix的用戶操作方便Toyix兼容Dos的大多數(shù)命令。3、 Toyix下使用的是TC的編譯器多數(shù)學(xué)習(xí)者在學(xué)操作系統(tǒng)前都學(xué)過C語言，一般是從TC起步的，這樣在Toyix下編程時(shí)就不需要再學(xué)習(xí)新的編程知識(shí)，就可以開始編程。4、 Toyix的編程接口兼容性好系統(tǒng)部分與UNIX兼容，C庫函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的C庫函數(shù)兼容，這樣書上的代碼非常容易在Toyix下實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然Toyix沒有實(shí)現(xiàn)UNIX和標(biāo)準(zhǔn)C的所有函數(shù)，只實(shí)現(xiàn)了一些教學(xué)實(shí)踐中必須的。2.2.2Toyix的安裝安裝步驟:

1、下載TOYIXCE.zip文件，將壓縮文件中的TOYIXCE文件夾解壓到D盤根目錄下，如下圖。文件更）編輯⑥查看但）收藏⑴工具（I）繁助文件更）編輯⑥查看但）收藏⑴工具（I）繁助?O后退-OF尸搜素文件夾回?地址（山|^0:\TOC\o"1-5"\h\zr 'Ij削建-徹史怦夷 Ij得次個(gè)女傳買抵鄙到I通晶臨件探 I解壓Toyix到D:盤根目錄2、打開TOYIXCE文件夾，瀏覽Toyix的系統(tǒng)文件，查看Toyix系統(tǒng)文件的目錄結(jié)構(gòu)，如下圖。*D:\TOYIXCE文件曷舞牌（曰查者但）收藻⑴工具⑴幫助（E）。后退-0A|Q掀S。文件夾園?aJM我的w—KDKE0).1|5：vron藏ewm浦共享此立件喪ranin支件喪□mmaJM我的w—KDKE0).1|5：vron藏ewm浦共享此立件喪ranin支件喪□mm1女件初文件夾ft等以倒建一個(gè)新文偉冥用迂亍女伴哭鋼割teSHELL.Elffi眼，砧IT」:.TOVIX_C.EKE1499-1-423:00tuyix.libB-J9-1-?［；35LIB文件WY.EXE1澎-LT6;37OT.OBJ2002^-292;14IrtteTmadtatefileTLINK.EKE19^-1-^7:16CSAIE1-54:55-LI&文件T0TIX.H1獺T-T利CHeader￡i1eEDIT.COM1-101Z:OO應(yīng)用程序_C麗2Q&2-M921:13EX&交件峰很日蚓SOOT年勺月事日'I、44CQ.MT2&0Z-S-2T0:35.Wind口印字早肉密文件圖2Toyix操作系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)如果看到toyix的系統(tǒng)文件在D:\TOYIXCE目錄下，說明Toyix系統(tǒng)已安裝完畢。2.2.3對(duì)Toyix的一點(diǎn)修改

Toyix將用戶程序源文件放在了心盤根目錄，極不方便打開，又容易與C:盤系統(tǒng)文件混淆。因此我建議更改工作目錄。打開Toyix操作系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)中的CO.BAT文件，將其中內(nèi)容更改為：@echooffpathd:\toyixcecd/dD:\TOYIXCE\PROJECTStoy并在D:\TOYIXCE目錄下建立一PROJECTS文件夾，即可將工作目錄設(shè)在D:\TOYIXCE\PROJECTS下，可以很方便地將整個(gè)Toyix操作系統(tǒng)及你所編寫的程序打包，而且也避免了與C：盤主操作系統(tǒng)文件的相互干擾。此后，用戶用edit文本編輯器新建的文件以及后面用cc命令編譯和用do命令運(yùn)行的文件/程序就都默認(rèn)在此工作目錄下了。2.2.4Toyix的啟動(dòng)和初步使用WindowsXp及以上的用戶可以直接雙擊CO.BAT啟動(dòng)2.2.4Toyix操作系統(tǒng)。默認(rèn)當(dāng)前目錄即上面所說的D:\TOYIXCE\PROJECTSoToyix系統(tǒng)很簡(jiǎn)單，只涉及簡(jiǎn)單的模擬進(jìn)程管理，只包含等少許外部程序（當(dāng)然用戶可以利用它的CC內(nèi)部命令自己生成.prg格式的外部程序）oToy.exe是其在Windows下的啟動(dòng)程序。用戶使用普通的文本編輯器，或它自帶的editDOS下的編輯器編輯源程序。使用cc命令編譯。使用do命令運(yùn)行。運(yùn)行過程中，DOS界面上方會(huì)有一欄toyix的進(jìn)程監(jiān)視器。它顯示了所有進(jìn)程的狀態(tài)，“running”后面顯示的是正在執(zhí)行進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，“ready”后面顯示的是就緒進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，“blocked”后面顯示的是阻塞進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)。如圖3：running*!0vea.<Ly:1 blocksdI TNuLtdprdicbssffoni-fcnroflxQ31-pvgCl)4kFr-easkey 圖3toyix的進(jìn)程監(jiān)視器2.2.5Toyix編程Toyix編程部分主要講解toyix系統(tǒng)提供的庫函數(shù)。Toyix庫函數(shù)主要分兩類：一類是與系統(tǒng)相關(guān)的庫函數(shù)；另一類是c庫函數(shù)，和一般c庫函數(shù)的使用基本相同。此部分內(nèi)容請(qǐng)讀者參考，上面的資料。地址：http://www.toyix.nct/tutorial/tutorial.htm#a2讀者也可以通過本課設(shè)報(bào)告來窺知toyix系統(tǒng)的內(nèi)容。3具體實(shí)現(xiàn)（完整代碼及分析）完整代碼如下：#include<toyix.h>#defineN4semaphoremutex;semaphorefull;semaphoreempty;produce(){delay(3000);/*用3秒鐘生產(chǎn)一件產(chǎn)品*/printf("%dProduceaproduct\n",get_pid());p(&empty);p(&mutex);delay(5000);/*用5秒鐘將該產(chǎn)品放入緩沖區(qū)*/printf("%dPuttheproductintobuffer\n",get_pid());v(&mutex);v(&full);}consume(){p(&full);p(&mutex);delay(5000);/*用5秒鐘從緩沖區(qū)取走一件產(chǎn)品*/printf("%dFetchaproductformbuffer\n”,get_pid());v(&mutex);v(&empty);delay(3000);/*用3秒鐘消費(fèi)該產(chǎn)品*/printf("%dConsumetheproduct\n”,get_pid());}main(){intn,i;printf("\n");/*設(shè)置信號(hào)量的初值*/set(&mutex,1);/*mutex=1:緩沖區(qū)可用；mutex=0：緩沖區(qū)正被占用，不可用*/set(&full,0);/*consume函數(shù)的信號(hào)量。full=1~N：緩沖區(qū)有產(chǎn)品可取走；full<=0：緩沖區(qū)無產(chǎn)品*/set(&empty,N);/*produce函數(shù)的信號(hào)量°empty=1~N：緩沖區(qū)有空位放產(chǎn)品；full<=0：緩沖區(qū)無空位*/n=cobegin(/*多個(gè)函數(shù)(進(jìn)程)并行執(zhí)行。測(cè)試各種情況。(注：cobegin最多支持7個(gè)函數(shù)同時(shí)運(yùn)行)*/produce,produce,produce,produce,produce,consume,consume,0);printf("%dsub-processreadytorunconcurrently.\n”,n);printf("\n");getch();/*必須加上，以保證主進(jìn)程最后才結(jié)束。cobegin的子進(jìn)程都會(huì)在主進(jìn)程結(jié)束時(shí)被銷毀。*/}運(yùn)行過程與結(jié)果:匚：「C:^TlffDOlSVsysl\c>d.eseToyixuersion1_0S,Copyright<c>2093UangShuangTQ<;ixisconcurrentenvironmentivseAinOSteachin?andresea.rcliin9Uan^Shuan^Jsemail：superhopel?!26.cdh,feustu@163.comkCo.：XTO?IXCEXPROJECT￡>cccp.cConpiling...cp.c：Availablememory244700Linking...Making-.-.pp-prg-<Co.>D：XTOVIXCEXPEOJECTS>_圖4編譯源程序，成功生成.prg可執(zhí)行文件反C:\THTD01SVsysleB32\cad.eserunning:0ready：1 blocked： ToyixThree-statesHonitorU0.03Toyixis-aconcurrentenvironment inOSteachingandresearchinsUan^ShLian^Jsemail：superhopeP,fewstuP163.conkCo.>D：\TOVIKCE\PROJECT￡>cccp.cConpiling...cp_c：Availablenemoi'9244700Linking...Making-.-.pp-prffkCo.>D：XTOVIXCEXPKOJECTS>docpcp.prg-<1〉dLPressanyke^F...圖5執(zhí)行可執(zhí)行文件，父進(jìn)程就緒0號(hào)進(jìn)程是操作系統(tǒng)初始進(jìn)程，或命令行進(jìn)程。1號(hào)進(jìn)程為可執(zhí)行文件調(diào)入內(nèi)存所產(chǎn)生的進(jìn)程，即主（父）進(jìn)程。本程序中，2號(hào)開始即為子進(jìn)程。Cobegin中共7個(gè)函數(shù)（進(jìn)程）并發(fā)執(zhí)行，進(jìn)程號(hào)分別為2?8。

圖6按任意鍵開始運(yùn)行可以看到，此時(shí)進(jìn)程5被調(diào)度到，61234處于就緒狀態(tài)，78被阻塞。3C:\￥IlTD01SVsys-t eserunning：1readj/：3 blocked：245&78ToyixThree-statesHonitorU0.03<Co_JD：\T0￥IXCEXPKOJECTS>cccp_cGonpiling...cp.c：Availablenemor^r2447BBLinkinc[-..Making-.-.cp-prffkCo.>D：ST0?IXCESPBOJECTS>docpcp_pi'fftl>okPressanykey.-7sub—pi'ocessreadytoi'uncancLLi't'entlu.ProduceaproductProduceaproductProduceaproductProduceaproductProduceaproduct圖7進(jìn)程的切換調(diào)度可見，34256都已經(jīng)執(zhí)行過至少一次，而且并發(fā)的7個(gè)進(jìn)程的調(diào)度先后順序并無一定之規(guī)。6進(jìn)程（生產(chǎn)者）生產(chǎn)了1件產(chǎn)品，可是因?yàn)榫彌_區(qū)才4個(gè)單位，前四個(gè)生產(chǎn)者已經(jīng)往其中放滿了產(chǎn)品。接下來會(huì)發(fā)生什么？8C:\THTD01SVsysl?32\c>d.eserunning:running:1ready： blocked：Flaking...cp.prcrToyixThree-statesNonitorU0.03<Co.7D：<Co.7D：\TO￥IKCESPKOJECTS>docp.prcfCl>opsPressanykey...7sub-processreadytoi'nnCPconcurrent34256342577ProduceProduceProduceProduceProducePutthePutthePutthePuttheFetchaConsumeFetchaConsumePuttheaproductaproductaproductaproductaproductproductintoproductintoproductintoproductintoproductfol'r34256342577ProduceProduceProduceProduceProducePutthePutthePutthePuttheFetchaConsumeFetchaConsumePuttheaproductaproductaproductaproductaproductproductintoproductintoproductintoproductintoproductfol'rtJieproductproductfot'nthepr