南昌大學(xué)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告二編程模擬進(jìn)程間的同步和互斥

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1南 昌 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告---（ 2） 編 程 模 擬 進(jìn) 程 間 的 同 步 和 互 斥學(xué)生姓名： 張皓然 學(xué) 號(hào)： 5501215001 專業(yè)班級(jí)： 本碩 151 實(shí)驗(yàn)類型：□ 驗(yàn)證 □ 綜合 ■ 設(shè)計(jì) □ 創(chuàng)新 實(shí)驗(yàn)日期： 2017.5.5 實(shí)驗(yàn)成績(jī)： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)對(duì)進(jìn)程同步和互斥的理解，并掌握進(jìn)程（線程）的創(chuàng)建和調(diào)用方法。學(xué)會(huì)使用信號(hào)量解決資源共享問題。學(xué)生可以自己選擇在 Windows 或 Linux 系統(tǒng)下編寫。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）以下為 Linux 系統(tǒng)下參考程序，請(qǐng)編譯、運(yùn)行并觀察程序的輸出，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。#include//標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出頭文件#include//standard library 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)頭文件 #include//POSIX 標(biāo)準(zhǔn)定義的 unix 類系統(tǒng)定義符號(hào)常量的頭文件，包含了許多UNIX 系統(tǒng)服務(wù)的函數(shù)原型，例如 read 函數(shù)、write 函數(shù)和 getpid 函數(shù)。#include//time.h 是 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)頭文件，主要是一些和時(shí)間相關(guān)的函數(shù)#include//基本系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型#include//declarations for waiting#include//Semaphore operation flags#define NUM_PROCS 5//5 個(gè)子進(jìn)程#define SEM_ID 250//信號(hào)量#define FILE_NAME "/tmp/sem_aaa"#define DELAY 4000000void update_file(int sem_set_id, char *file_path, int number){struct sembuf sem_op;FILE *file;//建立一個(gè)文件指針//等待信號(hào)量的數(shù)值變?yōu)榉秦?fù)數(shù)，此處設(shè)為負(fù)值，相當(dāng)于對(duì)信號(hào)量進(jìn)行 P 操作sem_op.sem_num=0;sem_op.sem_op=-1;sem_op.sem_flg=0;semop(sem_set_id,/*操作一組信號(hào)，進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符號(hào)為 sem_set_id，sem_op 是結(jié)構(gòu)指針。sem_op：如果其值為正數(shù)，該值會(huì)加到現(xiàn)有的信號(hào)內(nèi)含值中，通常用于釋放所控資源的使用權(quán)；如果 sem_op 的值為負(fù)數(shù)，而其絕對(duì)值又大于信號(hào)的現(xiàn)值，操作將會(huì)阻塞，直到信號(hào)值大于或等于 sem_op 的絕對(duì)值，通常用于獲取資源的使用權(quán)；如果 sem_op 的值為 0，則操作將暫時(shí)阻塞，直到信號(hào)的值變?yōu)?0。*///寫文件，寫入的數(shù)值是當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)file=fopen(file_path,"w");//寫文件，若成功則返回文件起始地址；否則置 02if(file){//臨界區(qū)fprintf(file,"%d\n",number);//將進(jìn)程號(hào)寫入*file 處printf("%d\n",number);將當(dāng)前的進(jìn)程號(hào)輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)輸出里。fclose(file);//關(guān)閉文件}//發(fā)送信號(hào)，把信號(hào)量的數(shù)值加 1，此處相當(dāng)于對(duì)信號(hào)量進(jìn)行 V 操作sem_op.sem_num=0;sem_op.sem_op=1;sem_op.sem_flg=0;semop(sem_set_id,}//子進(jìn)程寫文件void do_child_loop(int sem_set_id,char *file_name){pid_t pid=getpid();int i,j;//取得目前進(jìn)程的識(shí)別碼，返回當(dāng)前的進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符 for(i=0;i#include #include //系統(tǒng)讀寫安全相關(guān)函數(shù)#include #include #include //該頭文件內(nèi)包含了通過錯(cuò)誤碼來回報(bào)錯(cuò)誤資訊的宏#include #include #define MAXSEM 5//聲明三個(gè)信號(hào)燈 IDint fullid;int emptyid;5int mutxid;int main(){/*在 sembuf 結(jié)構(gòu)中， sem_num 是相對(duì)應(yīng)的信號(hào)量集中的某一個(gè)資源，所以其值是一個(gè)從 0到相應(yīng)的信號(hào)量集的資源總數(shù)（ipc_perm.sem_nsems ）之間的整數(shù)。 sem_op 指明所要執(zhí)行的操作，sem_flg 說明函數(shù) semop 的行為。sem_op 的值是一個(gè)整數(shù).釋放相應(yīng)的資源數(shù)，將sem_op 的值加到信號(hào)量的值上.*/struct sembuf P,V;union semun arg;//聲明共享主存int *array;int *sum;int *set;int *get;//映射共享主存/*mmap 是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個(gè)文件或者其它對(duì)象映射到進(jìn)程的地址空間實(shí)現(xiàn)文件磁盤地址和進(jìn)程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對(duì)映關(guān)系。實(shí)現(xiàn)這樣的映射關(guān)系后，進(jìn)程就可以采用指針的方式讀寫操作這一段內(nèi)存而系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回寫臟頁面到對(duì)應(yīng)的文件磁盤上即完成了對(duì)文件的操作而不必再調(diào)用 read,write 等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。相反，內(nèi)核空間對(duì)這段區(qū)域的修改也直接反映用戶空間從而可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程間的文件共享。*/array = (int *)mmap(NULL , sizeof( int )* MAXSEM,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);sum = (int *)mmap(NULL , sizeof( int),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);get = (int *)mmap(NULL , sizeof( int),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);set = (int *)mmap(NULL , sizeof( int),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0); *sum = 0;*get = 0;*set = 0; //創(chuàng)建信號(hào)量、生成信號(hào)燈fullid= semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666); emptyid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666);mutxid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666); //為信號(hào)燈賦值arg.val = 0;if(semctl(fullid , 0 , SETVAL , arg) == -1) perror("semctl setval error");arg.val = MAXSEM;if(semctl(emptyid , 0 ,SETVAL , arg) == -1) perror("semctl setval error");arg.val = 1;6if(semctl(mutxid , 0 ,SETVAL , arg) == -1) perror("setctl setval error"); //初始化 P,V 操作V.sem_num=0;V.sem_op =1;V.sem_flg=SEM_UNDO;P.sem_num=0;P.sem_op =-1;P.sem_flg=SEM_UNDO;//生產(chǎn)者進(jìn)程if(fork() == 0 ) { int i = 0;while( i < 100){//semop(信號(hào)量，資源，數(shù)目)semop(emptyid , //mutex 實(shí)現(xiàn)臨界資源的互斥使用semop(mutxid , array[*(set)%MAXSEM] = i + 1;printf("Producer %d\n", array[(*set)%MAXSEM]);//生產(chǎn)產(chǎn)品的標(biāo)號(hào)+1(*set)++;semop(mutxid , semop(fullid , i++; }sleep(10);printf("Producer is over");exit(0);}else {//ConsumerA 進(jìn)程if(fork()==0) {while(1){semop(fullid , semop(mutxid , //判斷是否所有產(chǎn)品都被消費(fèi)了if(*get == 100) break;*sum += array[(*get)%MAXSEM];printf("The ComsumerA Get Number %d\n", array[(*get)%MAXSEM] );(*get)++;//判斷這次消費(fèi)是否為最后一次消費(fèi)if( *get ==100)7printf("The sum is %d \n ", *sum);semop(mutxid , semop(emptyid , sleep(1);}printf("ConsumerA is over");exit(0);}else {//Consumer B 進(jìn)程if(fork()==0) {while(1){semop(fullid , semop(mutxid , if(*get == 100)break;*sum += array[(*get)%MAXSEM];printf("The ComsumerB Get Number %d\n", array[(*get)%MAXSEM] ); (*get)++;if( *get ==100)printf("The sum is %d \n ", *sum);semop(mutxid , semop(emptyid , sleep(1);}printf("ConsumerB is over");exit(0);}}}// sleep(20);return 0;}89要解決該問題，就必須讓生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿時(shí)休眠（要么干脆就放棄數(shù)據(jù)） ，等到下次消費(fèi)者消耗緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)的時(shí)候，生產(chǎn)者才能被喚醒，開始往緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)。同樣，也可以讓消費(fèi)者在緩沖區(qū)空時(shí)進(jìn)入休眠，等到生產(chǎn)者往緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)之后，再喚醒消費(fèi)者。通常采用進(jìn)程間通信的方法解決該問題，常用的方法有信號(hào)燈法等。如果解決方法不夠完善，則容易出現(xiàn)死鎖的情況。出現(xiàn)死鎖時(shí)，兩個(gè)線程都會(huì)陷入休眠，等待對(duì)方喚醒自己。該問題也能被推廣到多個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的情形。思考：1、關(guān)于 sleep（）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：VOID Sleep（DWORD dwMilliseconds ）; 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。2.關(guān)于 semop在 Linux 下，PV 操作通過調(diào)用 semop 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。該函數(shù)定義在頭文件 sys/sem.h中，原型如下：int semop（int semid，struct sembuf *sops，size_t nsops） ；流程圖：10（三）第三個(gè)程序沒有調(diào)試好11（四）心得體會(huì)程序的總體思路經(jīng)過仔細(xì)分析還是比較清晰的。比如生產(chǎn)者消費(fèi)者問題最主要的就是要實(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。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。