《操作系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告 生產(chǎn)者-消費(fèi)者

數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院PAGEPAGE1 南京曉莊學(xué)院 《操作系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)老師：專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)： 姓名： 完成日期：數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院一、實(shí)驗(yàn)概述1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳钊肓私庹莆者M(jìn)程的同步、互斥機(jī)制，認(rèn)識(shí)理解其調(diào)度過程，并用于解決實(shí)際生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題。使用高級(jí)編程語言現(xiàn)“生產(chǎn)者——消費(fèi)者”進(jìn)程同步問題。2．實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)（1）對(duì)課本知識(shí)加以鞏固，在實(shí)踐中提高動(dòng)手能力；（2）完整的完成此次實(shí)驗(yàn)，并有所創(chuàng)新與突破；（3）獨(dú)立思考，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源與圖書資源；（4）取得一個(gè)被老師認(rèn)可的高分評(píng)價(jià)；二、實(shí)驗(yàn)工具1.操作系統(tǒng)：windows2003serverenterprise2.開發(fā)環(huán)境：VisualStudio2010三、實(shí)驗(yàn)過程1、實(shí)驗(yàn)具體題目，分析題目：本實(shí)驗(yàn)要求利用PV操作實(shí)現(xiàn)解決生產(chǎn)者——消費(fèi)者問題中的同步問題。此問題描述的是一群生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品并將這些產(chǎn)品提供給消費(fèi)者進(jìn)程去消費(fèi)，在兩者之間設(shè)置了一個(gè)具有n個(gè)緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程將它所生產(chǎn)的產(chǎn)品放入一個(gè)緩沖區(qū)，消費(fèi)者進(jìn)程可從緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品去消費(fèi)，但它們之間必須保持同步，即不允許消費(fèi)者進(jìn)程到一個(gè)空緩沖區(qū)去取產(chǎn)品，也不允許生產(chǎn)者進(jìn)程向一個(gè)已裝滿且尚未取出的緩沖區(qū)中投放產(chǎn)品，并且生產(chǎn)者消費(fèi)者互斥使用緩沖區(qū)。算法流程：算法實(shí)現(xiàn)主要用到生產(chǎn)者函數(shù)RP-ProceducerThread(void*p)來實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)產(chǎn)品數(shù)量的增加，用RP-ConsumerThread(void*p)來實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)產(chǎn)品的減少。并用到了CreateThread函數(shù)來創(chuàng)建生產(chǎn)者消費(fèi)者線程，利用線程的句柄以及創(chuàng)建線程是立刻運(yùn)行的特點(diǎn)來進(jìn)行生產(chǎn)消費(fèi)操作。至于PV算法的實(shí)現(xiàn)是利用buffer_empty和buffer_full來進(jìn)行控制，buffer_empty的值可以看做資源量，只有空的數(shù)值大于0才可以進(jìn)行生產(chǎn)，buffer_full的數(shù)值與buffer_empty的值有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用buffer_full來控制消費(fèi)的進(jìn)行。最后，在緩沖區(qū)操作臨界資源PC_Buffer來說利用EnterCriticalSection(&PC_Buffer);//等待共享資源LeaveCriticalSection(&PC_Buffer);//釋放共享資源來進(jìn)行緩沖區(qū)操作的控制?？傊?dāng)程序讀入測試文件中的數(shù)據(jù)時(shí)，便根據(jù)讀入的字符時(shí)C還是P創(chuàng)造相應(yīng)的進(jìn)程，在分配EMPTY或者FULL資源，然后等待共享資源PC_Buffer,得到后便進(jìn)行操作。最后讀入所有的數(shù)據(jù)，完成所有進(jìn)程的操作。需要解決的問題：利用生產(chǎn)者進(jìn)程進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)消費(fèi)者進(jìn)程也能進(jìn)行消費(fèi)，但是必須滿足同步的條件才可以允許，否則將提示緩沖區(qū)滿無法進(jìn)行生產(chǎn)或者緩沖區(qū)空無法進(jìn)行消費(fèi)的錯(cuò)誤，故程序應(yīng)該具有判斷的功能。若結(jié)束當(dāng)前的生產(chǎn)者——消費(fèi)者進(jìn)程，將會(huì)提示此次進(jìn)程中生產(chǎn)消費(fèi)者分別生產(chǎn)了和消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)目，并統(tǒng)計(jì)緩沖區(qū)中剩余的產(chǎn)品數(shù)目，最后才結(jié)束。5、關(guān)鍵代碼分析：1、做出如下定義CRITICAL_SECTIONPC_Buffer;//臨界區(qū)HANDLEh_semaphore_empty,h_semaphore_full;//信號(hào)量對(duì)象structBuffer{charbuf[BUFFER_LEN];}Buf[MAX_THREAD_NUM];intin=0;//生產(chǎn)者生產(chǎn)指針intout=0;//消費(fèi)者消費(fèi)指針SYSTEMTIMEtimeSys;CRITICAL_SECTIONPC_Buffer;//臨界區(qū)HANDLEh_semaphore_empty,h_semaphore_full;//信號(hào)量對(duì)象structThreadInfo{intserial;//線程序號(hào)charentity;//線程類別(P-生產(chǎn)者線程,C-消費(fèi)者線程)doubledelay;//生產(chǎn)產(chǎn)品/延續(xù)時(shí)間doublepersist;//線程把產(chǎn)品加入到緩沖區(qū)/持續(xù)時(shí)間};2①CreateThread函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)在調(diào)用進(jìn)程的地址空間中執(zhí)行的線程。此函數(shù)為API函數(shù)，用于創(chuàng)建生產(chǎn)者消費(fèi)者進(jìn)程。②信號(hào)量對(duì)象（semaphore）信號(hào)量對(duì)象實(shí)現(xiàn)了Dijkstra定義中的通用信號(hào)量語義。信號(hào)量對(duì)象就是資源信號(hào)量，初始值的取值在0到指定最大值之間，用于限制并發(fā)訪問的線程數(shù)，也可用于進(jìn)程、線程間的同步。它的相關(guān)API包括：CreateSemaphore、OpenSemaphore和ReleaseSemaphore。(1)CreateSemapore函數(shù)是創(chuàng)建一個(gè)有名或者無名信號(hào)量對(duì)象，在輸人參數(shù)中指定最大值和初值，返回對(duì)象句柄。格式：HANDLECreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpAttributes，LONGlInitialCount，LONGlMaximumCount，LPCTSTRlpName);1pAttributes：安全屬性。如果是NULL就表示要使用默認(rèn)屬性。1InitialCount：Semaphore的初值。必須≥0，并且≤MaximumCount。lMaximumCount：Semaphore的最大值。這也就是在同一時(shí)間內(nèi)能夠鎖住Semaphore之線程的最多個(gè)數(shù)。1pName：Semaphore的名稱(一個(gè)字符串)。任何線程(或進(jìn)程)都可以根據(jù)這一名稱引用到這個(gè)Semaphore。這個(gè)值可以是NULL，意思是產(chǎn)生一個(gè)沒有名字的Semaphore。返回值：如果成功就傳回一個(gè)handle，否則傳回NULL③等待操作Windows2000為對(duì)象提供了兩個(gè)統(tǒng)一的等待操作函數(shù)WaitForSingleObject和WaitForMultipleObjiects，等待函數(shù)被同步對(duì)象用于實(shí)現(xiàn)各種Dijkstra定義的P操作。等待的對(duì)象包括：Changenotification(改變通告)；Consoleinput(控制臺(tái)輸入)；Event(事件)；Job(作業(yè))；Mutex(互斥對(duì)象)；Process(進(jìn)程)；Semaphore(信號(hào)量)；Thread(線程)；Waitabletimer(可等待定時(shí)器)。函數(shù)決定等待條件是否被滿足。如果等待條件并沒有被滿足，調(diào)用線程進(jìn)入一個(gè)高效的等待狀態(tài)，當(dāng)?shù)却凉M足條件時(shí)占用非常少的處理器時(shí)間。在運(yùn)行前，一個(gè)等待函數(shù)修改同步對(duì)象類型的狀態(tài)。修改僅發(fā)生在引起函數(shù)返回的對(duì)象身上。例如，信號(hào)的計(jì)數(shù)減1。一個(gè)線程通過調(diào)用等待函數(shù)擁有對(duì)象。創(chuàng)建該對(duì)象的線程也擁有對(duì)象，而不需要調(diào)用等待函數(shù)。(1)WaitForSingleObject函數(shù)可在指定的時(shí)間內(nèi)等待指定對(duì)象為可用狀態(tài)當(dāng)下列情況之一發(fā)生時(shí)該函數(shù)返回：(1)指定對(duì)象處于信號(hào)態(tài)；(2)超時(shí)。格式：DWORDWaitForSingleObject（HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds);hHandle：等待對(duì)象句柄。dwMilliseconds：指定以毫秒為單位的超時(shí)間隔。如果超時(shí)，即使對(duì)象的狀態(tài)是非信號(hào)態(tài)的并且沒有完成，函數(shù)也返回。如果它是0，函數(shù)測試對(duì)象的狀態(tài)并立刻返回；如果它是INFINITE（定義為0xFFFFFFFF或-1），函數(shù)從不超時(shí)。返回值：如果函數(shù)調(diào)用成功，返回值表明引起函數(shù)返回的事件?？赡苤等缦拢篧AIT_ABANDONED：指定對(duì)象是互斥對(duì)象，在線程被終止前，線程沒有釋放互斥對(duì)象?；コ鈱?duì)象的所屬關(guān)系被授予調(diào)用線程，并且該互斥對(duì)象被置為非信號(hào)態(tài)。WAITOBJECT_0：指定對(duì)象的狀態(tài)被置為信號(hào)態(tài)。WAIT_TIMEOUT：超時(shí)，并且對(duì)象的狀態(tài)為非信號(hào)態(tài)。如果函數(shù)調(diào)用失敗，返回值是WAIT_FAILED。(2)WaitForMultipleObjects函數(shù)可在指定的時(shí)間內(nèi)等待多個(gè)對(duì)象為可用狀態(tài)。格式：DWORDWaitForMultipleObjects(DWORDnCount，CONSTHANDLE*lpHandles，BOOLbWaitAll，DWORDdwMilliseconds);nCount規(guī)定了可引起函數(shù)阻塞的一組對(duì)象的句柄數(shù)目。lpHandles指向存放一組句柄的數(shù)組。bWaitAll規(guī)定了是否函數(shù)應(yīng)該等待一組對(duì)象都發(fā)送出有信號(hào)通知(bWaitAll=TRUE)，或者只是等待一個(gè)對(duì)象(bWaitAll=FLASE)。dwMilliseconds，它同在WaitForSingleObiect一樣。④臨界區(qū)對(duì)象臨界區(qū)對(duì)象只能用于在同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)使用的臨界區(qū)，同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)各線程對(duì)它的訪問是互斥進(jìn)行的，臨界區(qū)對(duì)象的運(yùn)行速度比互斥對(duì)象快。把變量說明為CRITICAL_SECTION類型，就可作臨界區(qū)使用。相關(guān)的API包括InitializeCriticalSection、EnterCriticalSection、TryEnterCriticalSection、LeaveCriticalSection和DeleteCriticalSection。(1)InitializeCriticalSection函數(shù)初始化臨界區(qū)對(duì)象。格式：VOIDInitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);lpCriticalSection：指向臨界區(qū)對(duì)象的指針。(2)EnterCriticalSection函數(shù)是等待指定臨界區(qū)對(duì)象的所有權(quán)。當(dāng)調(diào)用線程被賦予所有權(quán)時(shí)，該函數(shù)返回。格式：VOIDEnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);lpCriticalSection：指向臨界區(qū)對(duì)象的指針。(3)LeaveCriticalSection函數(shù)釋放指定臨界區(qū)對(duì)象的所有權(quán)格式：VOIDLeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);1pCriticalSection：指向臨界區(qū)對(duì)象的指針。(4)DeleteCriticalSection釋放與臨界區(qū)對(duì)象相關(guān)的所有系統(tǒng)資源。(5)臨界區(qū)對(duì)象的應(yīng)用例進(jìn)程通過聲明CRITICAL_SECTION類型的變量來完成分配臨界區(qū)對(duì)象使用的存儲(chǔ)空間，使用InitializeCriticalSection來初始化該臨界區(qū)對(duì)象。線程在進(jìn)入臨界區(qū)之前使用EnterCriticalSection等待占用臨界區(qū)的使用權(quán)，線程在退出臨界區(qū)之后馬上使用LeaveCriticalSection釋放臨界區(qū)的使用權(quán)。利用臨界區(qū)對(duì)象實(shí)現(xiàn)一個(gè)進(jìn)程的各線程互斥的程序如下：……CRITICAL_SECTIONPC_Buffer;structThreadInfo{……};voidRP_ProceducerThread(void*p){……EnterCriticalSection(&PC_Buffer);//等待共享資源……（臨界區(qū)）//生產(chǎn)者把產(chǎn)品加入到緩沖區(qū)LeaveCriticalSection(&PC_Buffer);//釋放共享資源……｝intmain(intargc,char*argv[]){HANDLEh_Thread;DWORDthread_ID;ThreadInfothread_info[MAX_THREAD_NUM];InitializeCriticalSection(&PC_Buffer);……h(huán)_Thread=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_ProceducerThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);……}⑤生產(chǎn)者消費(fèi)者函數(shù)voidRP_ProceducerThread(void*p){DWORDm_delay;//生產(chǎn)產(chǎn)品延續(xù)時(shí)間DWORDm_persist;//把產(chǎn)品加入到緩沖區(qū)持續(xù)時(shí)間intm_serial;//線程序號(hào)DWORDwait_for_semaphore_empty;//等待資源信號(hào)量所有權(quán)l(xiāng)ongcount;//從參數(shù)中獲得信息m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial;m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC);m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist*INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);//生產(chǎn)產(chǎn)品printtime("Producer","requests",m_serial);wait_for_semaphore_empty=WaitForSingleObject(h_semaphore_empty,-1);//等待資源信號(hào)量emptyEnterCriticalSection(&PC_Buffer);//等待共享資源printtime("Producer","begins",m_serial);Sleep(m_persist);//生產(chǎn)者把產(chǎn)品加入到緩沖區(qū)printtime("Producer","finishs",m_serial);LeaveCriticalSection(&PC_Buffer);//釋放共享資源ReleaseSemaphore(h_semaphore_full,1,&count);//釋放資源信號(hào)量full}voidRP_ConsumerThread(void*p){DWORDm_delay;//消費(fèi)產(chǎn)品持續(xù)時(shí)間DWORDm_persist;//從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品持續(xù)時(shí)間intm_serial;//消費(fèi)線程序號(hào)DWORDwait_for_semaphore_full;//等待資源信號(hào)量longcount;//從參數(shù)中獲得信息m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial;m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC);m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist*INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);printtime("Consumer","requests",m_serial);wait_for_semaphore_full=WaitForSingleObject(h_semaphore_full,-1);//等待資源信號(hào)量fullEnterCriticalSection(&PC_Buffer);//等待共享資源printtime("Consumer","begins",m_serial);Sleep(m_persist);//消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品printtime("Consumer","finishs",m_serial);LeaveCriticalSection(&PC_Buffer);//釋放共享資源ReleaseSemaphore(h_semaphore_empty,1,&count);//釋放資源信號(hào)量emptySleep(m_delay);//消費(fèi)者消費(fèi)產(chǎn)品}3．其它API函數(shù)(1)Sleep函數(shù)對(duì)于指定的時(shí)間間隔掛起當(dāng)前的執(zhí)行線程。格式：VOIDSleep（DWORDdwMilliseconds）;dwMilliseconds：定義掛起執(zhí)行線程的時(shí)間，以毫秒(ms)為單位。取值為0時(shí)，該線程將余下的時(shí)間片交給處于就緒狀態(tài)的同一優(yōu)先級(jí)的其他線程。若沒有處于就緒狀態(tài)的同一優(yōu)先級(jí)的其他線程，則函數(shù)立即返回，該線程繼續(xù)執(zhí)行。若取值為INFINITE則造成無限延遲。返回值：該函數(shù)沒有返回值。(2)GetLocalTime函數(shù)取得當(dāng)前的本地時(shí)間和日期。格式：BOOLGetLocalTime(lpst);lpst:指向一個(gè)SYSTEMTIME結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)存放當(dāng)前的本地時(shí)間和日期。typedefstruct_SYSTEMTIME{WORDwYear；WORDwMonth；WORDwDayOfWeek；WORDwDay；WORDwHour；WORDwMinute；WORDwSecond；WORDwMilliseconds；}SYSTEMTIME；四、實(shí)驗(yàn)心得1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果。截圖。2、錯(cuò)誤與分析。該程序總體上來看比較簡單，在調(diào)試過程中只要注意一些小問題，則不會(huì)出現(xiàn)問題了，除了少許語法錯(cuò)誤外，控制好程序的走向，則邏輯錯(cuò)誤亦可避免；程序的總體思路很清晰，最主要的就是要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)條件判斷，即緩沖區(qū)滿的時(shí)候不允許生產(chǎn)者進(jìn)行生產(chǎn)，若緩沖區(qū)空的話，則不進(jìn)行消費(fèi)者進(jìn)行消費(fèi)；在生產(chǎn)操作和消費(fèi)操作之間進(jìn)行相應(yīng)的判斷，正好符合PV信號(hào)量，先做P操作，若滿足，則執(zhí)行此進(jìn)程，若不滿足，則阻塞此進(jìn)程，并做相應(yīng)的V操作，即喚醒其對(duì)應(yīng)的進(jìn)程，從而很好的解決了生產(chǎn)者——消費(fèi)者問題3、心得體會(huì)；在此次實(shí)驗(yàn)中我們模擬PV操作同步機(jī)構(gòu)，來解決生產(chǎn)者——消費(fèi)者問題。此次實(shí)驗(yàn)完成了消費(fèi)者與生產(chǎn)者這兩個(gè)進(jìn)程之間的同步協(xié)調(diào)問題。值得注意的是解決進(jìn)程同步需要做哪些工作，如何利用信號(hào)量機(jī)制來解決進(jìn)程同步問題等等，這些問題其實(shí)我們?cè)趯W(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)都是很少思考的，因?yàn)楦杏|不深，所以學(xué)了一遍就過去了，但是在自己做實(shí)驗(yàn)時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)哪些地方是我們需要考慮的，哪些地方是需要注意的，實(shí)驗(yàn)給了我們實(shí)踐的機(jī)會(huì)，給了我們理論結(jié)合實(shí)際的機(jī)會(huì)，從實(shí)驗(yàn)中可以學(xué)到很多東西，不僅僅是書本上的東西這么簡單，更重要的是對(duì)待事情嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，對(duì)待任何事情都要一絲不茍，細(xì)節(jié)決定成??！附錄：·主要代碼//publick.cpp:定義控制臺(tái)應(yīng)用程序的入口點(diǎn)。//#include"stdafx.h"#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<conio.h>#include<windows.h>#defineNULL0structspcb{charname;charstate;charwhy;intdd;};typedefstructspcbpcb;pcbproducter,consumer,*process,*process1;ints1,s2,i,j,in,out,pc,m;chararray[10];charc,x;intpa[6],sa[6];intp(ints)/*p操作原語*/{ s=s-1; if(s<0) { process->state='B';/*B表示阻塞*/ process->why='s'; } else { process->state='W';/*W表示就緒*/ } return(s);}intv(ints)/*v操作原語*/{ s=s+1; if(s<=0) { process1->state='W'; } process->state='W'; return(s);}charRanChar(){ chararr[10]={'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j'}; returnarr[abs(rand()%10)];}voidput(){// printf("\npleaseproductanychar!");// scanf("\n%c",&c); Sleep(1000); array[in]=RanChar(); in=(in+1)%10; printf("productacharis%c!\n",array[in-1]); intk=0;for(intm=0;m<10;m++) { if(array[m]!=''){ printf("%c",array[m]); k=k+1; } } printf("緩沖池中有%d個(gè)產(chǎn)品\n",k);}voidget(){ Sleep(1000); x=array[out];printf("\n%cgetacharfronbuffer",x); printf("\n");array[out]=''; out=(out+1)%10;intk=0;for(m=0;m<10;m++) { if(array[m]!=''){ printf("%c",array[m]); k=k+1; } } printf("緩沖池中有%d個(gè)產(chǎn)品\n",k);}voidgotol(){ pc=0;}voidnop(){;}voiddisp()/*建立進(jìn)程顯示函數(shù),用于顯示當(dāng)前進(jìn)程*/{ printf("\nname\tstate\twhy\tdd\n"); printf("|%c\t",process->name); printf("|%c\t",process->state); printf("|%c\t",process->why); printf("|%d\t",process->dd); printf("\n");}voidinit()/*初始化程序*/{ s1=10;/*s1表示空緩沖區(qū)的數(shù)量*/ s2=0;/*s2表示滿緩沖區(qū)的數(shù)量*/ ='p';/*對(duì)生產(chǎn)者進(jìn)程初始化*/ producter.state='W'; producter.why=''; producter.dd=0; ='c';/*對(duì)消費(fèi)者進(jìn)程初始化*/ consumer.state='W'; consumer.why=''; consumer.dd=0; for(intk=0;k<10;k++) { array[k]=''; }}voidbornpa()/*將生產(chǎn)者程序裝入pa[]中*/{ for(i=0;i<=3;i++) { pa[i]=i; }}voidbornsa()/*將消費(fèi)者程序裝入sa[]中*/{ for(i=0;i<=3;i++) { sa[i]=i; }}voidd