操作系统之进程生产者---消费者实验报告.doc

. -操作系统实验报告生产者和消费者问题： 学号： 班级：一、实验内容 1、模拟操作系统中进程同步和互斥； 2、实现生产者和消费者问题的算法实现；二、实验目的1、熟悉临界资源、信号量及PV操作的定义与物理意义；2、了解进程通信的方法；3、掌握进程互斥与进程同步的相关知识；4、掌握用信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题；5、实现生产者消费者问题，深刻理解进程同步问题；三、实验题目 在Windows操作系统下用C语言实现经典同步问题：生产者消费者，具体要求如下： (1)一个大小为10的缓冲区，初始状态为空。 (2)2个生产者，随机等待一段时间，往缓冲区中添加数据，假设缓冲区已满，等待消费者取走数据之后再添加，重复10次。 (3)2个消费者，随机等待一段时间，从缓冲区中读取数据，假设缓冲区为空，等待生产者添加数据之后再读取，重复10次。四、思想 本实验的主要目的是模拟操作系统中进程同步和互斥。在系统进程并发执行异步推进的过程中，由于资源共享和进程间合作而造成进程间相互制约。进程间的相互制约有两种不同的方式。 1间接制约。这是由于多个进程共享同一资源如CPU、共享输入/输出设备而引起的，即共享资源的多个进程因系统协调使用资源而相互制约。 2直接制约。只是由于进程合作中各个进程为完成同一任务而造成的，即并发进程各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各个进程的执行速度。 生产者和消费者是经典的进程同步问题，在这个问题中，生产者不断的向缓冲区中写入数据，而消费者那么从缓冲区中读取数据。生产者进程和消费者对缓冲区的操作是互斥，即当前只能有一个进程对这个缓冲区进展操作，生产者进入操作缓冲区之前，先要看缓冲区是否已满，如果缓冲区已满，那么它必须等待消费者进程将数据取出才能写入数据，同样的，消费者进程从缓冲区读取数据之前，也要判断缓冲区是否为空，如果为空，那么必须等待生产者进程写入数据才能读取数据。 在本实验中，进程之间要进展通信来操作同一缓冲区。一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种：即控制信息的传送与大批量数据传送。有时，也把进程间控制在本实验中，进程之间要进展通信来操作同一缓冲区。一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种：即控制信息的传送与大批量数据传送。有时，也把进程间控制信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。 目前，计算机系统中用得比拟普遍的高级通信机制可分为3大类：共享存储器系统、消息传递系统及管道通信系统。 共享存储器系统 共享存储器系统为了传送大量数据，在存储器中划出一块共享存储区，诸进程可通过对共享存储区进展读数据或写数据以实现通信。进程在通信之前，向系统申请共享存储区中的一个分区，并为它指定一个分区关键字。 信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。 消息传递系统 在消息传递系统中，进程间的数据交换以消息为单位，在计算机网络中被称为报文。消息传递系统的实现方式又可以分为以下两种：(1)直接通信方式 发送进程可将消息直接发送给接收进程，即将消息挂在接收进程的消息缓冲队列上，而接收进程可从自己的消息缓冲队列中取得消息。(2)间接通信方式 发送进程将消息发送到指定的信箱中，而接收进程从信箱中取得消息。这种通信方式又称信箱通信方式，被广泛地应用于计算机网络中。相应地，该消息传递系统被称为电子系统。 管道通信系统 向管道提供输入的发送进程，以字符流方式将大量的数据送入管道，而接收进程从管道中接收数据。由于发送进程和接收进程是利用管道进展通信的，故称为管道通信。 为了协调发送和接收双方的通信，管道通信机制必须提供以下3方面的协调功能。1互斥 当一个进程正在对pipe文件进展读或写操作时，另一个进程必须等待。2同步 当写进程把一定数量的数据写入pipe文件后，便阻塞等待，直到读进程取走数据后，再把写进程唤醒。3确认对方是否存在 只有确定对方已存在时，才能进展管道通信，否那么会造成因对方不存在而无限制地等待。在这个问题当中，我们采用信号量机制进展进程之间的通信，设置两个信号量，空的信号量和满的信号量。在Windows系统中，一个或多个信号量构成一个信号量集合。使用信号量机制可以实现进程之间的同步和互斥，允许并发进程一次对一组信号量进展一样或不同的操作。每个P、V操作不限于减1或加1，而是可以加减任何整数。在进程终止时，系统可根据需要自动消除所有被进程操作过的信号量的影响 。1缓冲区采用循环队列表示，利用头、尾指针来存放、读取数据，以及判断队列是否为空。缓冲区中数组大小为10；2利用随机函数rand()得到AZ的一个随机字符，作为生产者每次生产的数据，存放到缓冲区中；3. 使用shmget()系统调用实现共享主存段的创立， shmget()返回共享内存区的ID。对于已经申请到的共享段，进程需把它附加到自己的虚拟空间中才能对其进展读写。4.信号量的建立采用semget()函数，同时建立信号量的数量。在信号量建立后，调用semctl()对信号量进展初始化，例如本实习中，可以建立两个信号量SEM_EMPTY、SEM_FULL，初始化时设置SEM_EMPTY为10，SEM_FULL为0。使用操 作信号的函数semop()做排除式操作，使用这个函数防止对共享内存的同时操作。对共享内存操作完毕后采用shmctl()函数撤销共享内存段。5.使用循环，创立2个生产者以及2个消费者，采用函数fork()创立一个新的进程。6一个进程的一次操作完成后，采用函数fflush()刷新缓冲区。7程序最后使用semctl()函数释放内存。模拟程序的程序流程图如下所示：1.主程序流程图：2.生产者进程流程图3.消费者进程流程图4.P操作流程图5.V操作流程图五、 实现代码为：/ exet5.cpp#include stdafx.h#include #include #define mSIZE 3#define pSIZE 20static int memerymSIZE = 0;static int processpSIZE = 0;/static int processpSIZE = 2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2;/static int processpSIZE = 7,10,1,2,10,3,10,4,2,3,10,3,2,1,2,10,1,7,10,1;void build(); void LRU(); int main(intargc, char *argv)printf(Random sequence is as follows:n);build();printf(nInvoking LRU Algorithn: n);LRU();return 0;void build()int i = 0;for(i=0; ipSIZE; i+) processi = (int)(10.0*rand()/(RAND_MAX);printf(%d ,processi); printf(n);void LRU()int flagmSIZE = 0; int i = 0, j = 0;int m = -1, n = -1;int max = -1,maxflag = 0; int count = 0;for(i = 0; ipSIZE; i+) /Find the first free Physical Blockfor(j=0; jmSIZE; j+) if(memeryj = 0) m = j;break; /Find if there are same processesfor(j = 0; j mSIZE; j+) if(memeryj = processi) n = j; /Find free PBfor(j = 0; j maxflag) maxflag = flagj;max = j; if(n = -1) / Find no same process if(m != -1) / find free PB memerym = processi;flagm = 0;for(j = 0;j = m; j+) flagj+; m = -1; else /NO find free PB memerymax = processi;flagmax = 0;for(j = 0;j mSIZE; j+) flagj+; max = -1; maxflag = 0;count+; else / Find same process memeryn = processi;flagn = 0;if(m != -1) /find free PB flagm = 0; for(j = 0;j mSIZE; j+) flagj+;max = -1; maxflag = 0; n = -1; for(j = 0 ;j mSIZE; j+)printf(%d ,memeryj);printf(n);printf(nThe times of page conversion is: %dn,count);六、实验总结及思考1、本次实验是关于生产者与消费者之间互斥和同步的问题。问题的是指是P、V操作，实验设一个共享缓冲区，生产者和消费者互斥的使用，当一个线程使用缓冲区的时候，另一个让其等待直到前一个线程释放缓冲区为止。2、实验中包含的知识点很多，包括临界区资源共享问题、信号量定义、PV操作流程、进程间的通信方式消息传递和共享内存、进程同步和互斥、信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题等等。加深了对于本局部内容的理解通过本实验设计，我们对操作系统的P、V进一步的认识，深入的了解P、V操作的实质和其重要性。课本的理论知识进一步阐述了现实中的实际问题。- word.zl.