操作系統(tǒng)實驗報告實驗一

1、計算機(jī)操作系統(tǒng)實驗報告一、 實驗一 “生產(chǎn)者-消費者”問題二、 實驗?zāi)康模和ㄟ^對“生產(chǎn)者-消費者”問題編程實現(xiàn)，了解線程創(chuàng)建、同步信號量、互斥信號量、臨界區(qū)的創(chuàng)建和使用。了解線程互斥和同步機(jī)制。了解PV原語和信號量在線程互斥和同步機(jī)制中的運用。三、實驗內(nèi)容 有界緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有5個存儲單位，放入/取出的數(shù)據(jù)項設(shè)定為15這5個整形數(shù)。要求每個生產(chǎn)者和消費者對有界緩沖區(qū)進(jìn)行操作后，即時顯示有界緩沖區(qū)的全部內(nèi)容、當(dāng)前生產(chǎn)者/消費者標(biāo)識符四、分析設(shè)計實驗陳述：1、基礎(chǔ)知識：本實驗用到幾個API函數(shù)：CreatThread, CreatMutex, CreatSemaphore, WaitForSingle

2、Object, ReleaseSemaphore, ReleaseMutex, InitializeCriticalSection, EnterCriticalSection, LeaveCriticalSection這些函數(shù)的作用：      CreatThread: 創(chuàng)建一個線程，該線程在調(diào)用進(jìn)程的地址空間中執(zhí)     CreatMutex : 產(chǎn)生一個命名的或者匿名的互斥量對象。WaitForSingleObject（對應(yīng)p操作）鎖上互斥鎖，ReleaseMutex（對應(yīng)v操作）

3、打開互斥鎖。   CreateSemaphore：創(chuàng)建一個命名的或者匿名的信號對象。信號量可以看作是在互斥量上的一個擴(kuò)展。   WaitForSingleObject：使程序處于等待狀態(tài)，直到信號量（或互斥量）hHandle出現(xiàn)或者超過規(guī)定的等待最長時間，信號量出現(xiàn)指信號量大于或等于1，互斥量出現(xiàn)指打開互斥鎖。在返回之前將信號量減1或者鎖上互斥鎖。   ReleaseSemaphore：將所指信號量加上指定大小的一個量，執(zhí)行成功，則返回非0值。   ReleaseMutex：用來打開互斥量，即將互斥量加1

4、。成功調(diào)用則返回0。  InitializeCriticalSection：該函數(shù)初始化臨界區(qū)對象。  EnterCriticalSection：該函數(shù)用于等待指定臨界區(qū)對象的所有權(quán)。當(dāng)調(diào)用線程被賦予所有權(quán)時，該函數(shù)返回。        LeaveCriticalSection：該函數(shù)釋放指定的臨界區(qū)對象的所有權(quán)。五、測試數(shù)據(jù)設(shè)計及測試結(jié)果分析已知測試用例文件輸入的文件時：5 thread 1 P 5.000000 thread 2 P 4.000000 thread 3 P

5、 2.000000 thread 4 C 6.000000 5 6 thread 5 P 7.000000 thread 6 P 1.000000 thread 7 C 3.000000 1 3 2 生產(chǎn)者 6發(fā)送生產(chǎn)請求信號.生產(chǎn)者 6開始在緩沖區(qū)0生產(chǎn)產(chǎn)品.生產(chǎn)者 6完成生產(chǎn)過程 ：緩沖區(qū)【 0 】： 6生成者3發(fā)送生產(chǎn)請求信號.生產(chǎn)者3開始在緩沖區(qū)1生產(chǎn)產(chǎn)品.生產(chǎn)者 3完成生產(chǎn)過程 :緩沖區(qū)【 1 】：3消費者7請求消費1產(chǎn)品消費者7請求消費1產(chǎn)品生產(chǎn)者 2 發(fā)送生成者請求信號.生產(chǎn)者2 開始在緩沖區(qū) 2 生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)者 2 完成生產(chǎn)過程 ：緩沖區(qū)【 2 】 ： 2生產(chǎn)者 1 發(fā)送生產(chǎn)請

6、求信號.生產(chǎn)者 1 開始在緩沖區(qū)3 生產(chǎn)產(chǎn)品.生產(chǎn)者 1 完成生產(chǎn)過程 ：緩沖區(qū)【 3 】 ： 1消費者7 開始消費1 產(chǎn)品消費者7成功消費 1：緩沖區(qū)【3】 ： -1消費者7 請求消費3產(chǎn)品消費者7開始消費3產(chǎn)品消費者7 成功消費 3:緩沖區(qū)【1】： -1消費者7 請求消費2產(chǎn)品消費者7開始消費2產(chǎn)品消費者7 成功消費 2:緩沖區(qū)【2】： -1消費者 4請求消費 5 產(chǎn)品 生產(chǎn)者 5 發(fā)送生產(chǎn)請求信號.生產(chǎn)者 5開始在緩沖區(qū)1生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)者 5 完成生產(chǎn)過程緩沖區(qū)【1】： 5消費者 4請求消費 5產(chǎn)品消費者 4 請求消費 5產(chǎn)品緩沖區(qū)【1】：-1消費者 4請求消費 6 產(chǎn)品消費者 4 開始消

7、費 6產(chǎn)品消費者 4 成功消費 6：緩沖區(qū)【0】 ：-1六、流程圖實驗程序的結(jié)構(gòu)圖（流程圖）；創(chuàng)建“生產(chǎn)者”線程輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否阻塞N創(chuàng)建“消費者”線程Y“生產(chǎn)者”等待，“消費者”取出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)“生產(chǎn)者”生產(chǎn)產(chǎn)品后被喚醒緩沖區(qū)是否為空“消費者”阻塞NY七、程序運行結(jié)果八、實驗體會通過這次實驗了解到生產(chǎn)者-消費者問題是一個經(jīng)典的進(jìn)程同步問題，以及在其中使用信號量機(jī)制，生產(chǎn)者與消費者問題要求我們設(shè)計在同一個進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行的兩個線程。 生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中提供消費者線程消費，而消費者線程從緩沖區(qū)中獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時，如果沒有空緩沖區(qū)可

8、用，那么生產(chǎn)者線程必須等待消費者線程釋放出一個空緩沖區(qū)，當(dāng)消費者線程消費物品時，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。這次生產(chǎn)者和消費者問題的實驗，不但加深了我對操作系統(tǒng)中多線程機(jī)制的理解和認(rèn)識，更讓我認(rèn)識到知識的掌握，僅靠學(xué)習(xí)理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要與實際動手操作相結(jié)合才能更好的理解和分析問題。九、源程序文件#include<windows.h>#include<fstream.h>#include<stdio.h>#include<string>#include<conio.h>/定義一些常量；/本程

9、序允許的最大臨界區(qū)數(shù)；#define MAX_BUFFER_NUM10/秒到毫秒的乘法因子；#define INTE_PER_SEC 1000/本程序允許的生產(chǎn)和消費線程的總數(shù)；#define MAX_THREAD_NUM 64/定義一個結(jié)構(gòu)，記錄在測試文件中指定的每一個線程的參數(shù)struct ThreadInfointserial;/線程序列號charentity; /是P還是Cdoubledelay;/線程延遲intthread_requestMAX_THREAD_NUM; /線程請求隊列intn_request;/請求個數(shù);/全局變量的定義/臨界區(qū)對象的聲明,用于管理緩沖區(qū)的互斥訪問；C

10、RITICAL_SECTIONPC_CriticalMAX_BUFFER_NUM;int Buffer_CriticalMAX_BUFFER_NUM; /緩沖區(qū)聲明，用于存放產(chǎn)品；HANDLE h_ThreadMAX_THREAD_NUM; /用于存儲每個線程句柄的數(shù)組；ThreadInfoThread_InfoMAX_THREAD_NUM; /線程信息數(shù)組；HANDLEempty_semaphore; /一個信號量；HANDLEh_mutex; /一個互斥量；DWORDn_Thread = 0; /實際的線程的數(shù)目；DWORDn_Buffer_or_Critical; /實際的緩沖區(qū)或者臨界

11、區(qū)的數(shù)目；HANDLEh_SemaphoreMAX_THREAD_NUM; /生產(chǎn)者允許消費者開始消費的信號量；/生產(chǎn)消費及輔助函數(shù)的聲明void Produce(void *p);void Consume(void *p);bool IfInOtherRequest(int);int FindProducePositon();int FindBufferPosition(int);int main(void)/聲明所需變量；DWORDwait_for_all;ifstreaminFile;/初始化緩沖區(qū)；for(int i=0;i< MAX_BUFFER_NUM;i+)Buffer_C

12、riticali = -1;/初始化每個線程的請求隊列；for(int j=0;j<MAX_THREAD_NUM;j+)for(int k=0;k<MAX_THREAD_NUM;k+)Thread_Infoj.thread_requestk = -1;Thread_Infoj.n_request = 0;/初始化臨界區(qū)；for(i =0;i<MAX_BUFFER_NUM;i+) InitializeCriticalSection(&PC_Criticali);/打開輸入文件，按照規(guī)定的格式提取線程等信息；in("test1.txt");/從文件中獲

13、得實際的緩沖區(qū)的數(shù)目；inFile >> n_Buffer_or_Critical;in();printf("輸入文件是:n");/回顯獲得的緩沖區(qū)的數(shù)目信息；printf("%d n",(int) n_Buffer_or_Critical);/提取每個線程的信息到相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；while(inFile)inFile >> Thread_Infon_Thread.serial;inFile >> Thread_Infon_Thread.entity;inFile >> Thread_Infon_Threa

14、d.delay;char c;in(c);while(c!='n'&& !in() inFile>> Thread_Infon_Thread.thread_requestThread_Infon_Thread.n_request+; in(c);n_Thread+; /回顯獲得的線程信息，便于確認(rèn)正確性；for(j=0;j<(int) n_Thread;j+)int Temp_serial = Thread_Infoj.serial;char Temp_entity = Thread_Infoj.entity;double Temp_delay

15、 = Thread_Infoj.delay;printf(" n thread%2d %c %f ",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);int Temp_request = Thread_Infoj.n_request;for(int k=0;k<Temp_request;k+)printf(" %d ", Thread_Infoj.thread_requestk);cout<<endl;printf("nn"); /創(chuàng)建在模擬過程中幾個必要的信號量empty_semaphore

16、=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, "semaphore_for_empty");h_mutex= CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_update");/下面這個循環(huán)用線程的ID號來為相應(yīng)生產(chǎn)線程的產(chǎn)品讀寫時所/使用的同步信號量命名；for(j=0;j<(int)n_Thread;j+) std:string lp ="semaphore_for_produce_"int temp =j;while(t

17、emp)char c = (char)(temp%10);lp+=c;temp/=10;h_Semaphorej+1=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str();/創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費者線程；for(i =0;i< (int) n_Thread;i+)if(Thread_Infoi.entity ='P')h_Threadi= CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),&(Thread_Infoi),0,NULL);else h_Threadi=CreateTh

18、read(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),&(Thread_Infoi),0,NULL);/主程序等待各個線程的動作結(jié)束；wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);printf(" n n全部生產(chǎn)者和消費者都已完成它們的工作. n");printf("按任意鍵返回!n");_getch();return 0;/確認(rèn)是否還有對同一產(chǎn)品的消費請求未執(zhí)行；bool IfInOtherRequest(int req)f

19、or(int i=0;i<n_Thread;i+)for(int j=0;j<Thread_Infoi.n_request;j+)if(Thread_Infoi.thread_requestj = req)return TRUE;return FALSE;/找出當(dāng)前可以進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的空緩沖區(qū)位置；intFindProducePosition()int EmptyPosition;for (int i =0;i<n_Buffer_or_Critical;i+)if(Buffer_Criticali = -1)EmptyPosition = i;/用下面這個特殊值表示本緩沖區(qū)正處

20、于被寫狀態(tài)；Buffer_Criticali = -2;break;return EmptyPosition;/找出當(dāng)前所需生產(chǎn)者生產(chǎn)的產(chǎn)品的位置；int FindBufferPosition(int ProPos)int TempPos;for (int i =0 ;i<n_Buffer_or_Critical;i+)if(Buffer_Criticali=ProPos)TempPos = i;break;return TempPos;/生產(chǎn)者進(jìn)程void Produce(void *p)/局部變量聲明；DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_

21、delay;intm_serial;/獲得本線程的信息；m_serial = (ThreadInfo*)(p)->serial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p)->delay *INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);/開始請求生產(chǎn)printf("生產(chǎn)者 %2d 發(fā)送生產(chǎn)請求信號.n",m_serial);/確認(rèn)有空緩沖區(qū)可供生產(chǎn)，同時將空位置數(shù)empty減1；用于生產(chǎn)者和消費者的同步；wait_for_semaphore= WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);/互斥

22、訪問下一個可用于生產(chǎn)的空臨界區(qū)，實現(xiàn)寫寫互斥；wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);int ProducePos = FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex);/生產(chǎn)者在獲得自己的空位置并做上標(biāo)記后，以下的寫操作在生產(chǎn)者之間可以并發(fā)；/核心生產(chǎn)步驟中，程序?qū)⑸a(chǎn)者的ID作為產(chǎn)品編號放入，方便消費者識別;printf("生產(chǎn)者 %2d 開始在緩沖區(qū) %2d 生產(chǎn)產(chǎn)品.n",m_serial,ProducePos);Buffer_CriticalProducePos =

23、m_serial;printf("生產(chǎn)者 %2d 完成生產(chǎn)過程 :n ",m_serial);printf(" 緩沖區(qū) %2d :%3d n" ,ProducePos,Buffer_CriticalProducePos);/使生產(chǎn)者寫的緩沖區(qū)可以被多個消費者使用，實現(xiàn)讀寫同步；ReleaseSemaphore(h_Semaphorem_serial,n_Thread,NULL);/消費者進(jìn)程void Consume(void * p)/局部變量聲明；DWORDwait_for_semaphore,m_delay;intm_serial,m_request

24、Num; /消費者的序列號和請求的數(shù)目；intm_thread_requestMAX_THREAD_NUM;/本消費線程的請求隊列； /提取本線程的信息到本地；m_serial = (ThreadInfo*)(p)->serial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p)->delay *INTE_PER_SEC);m_requestNum = (ThreadInfo *)(p)->n_request;for (int i = 0;i<m_requestNum;i+)m_thread_requesti = (ThreadInfo*)(p)->thread_requesti;Sleep(m_delay);/循環(huán)進(jìn)行所需產(chǎn)品的消費for(i =0;i<m_requestNum;i+) /請求消費下一個產(chǎn)品 printf("消費者 %2d 請求消費 %2d 產(chǎn)品n",m_serial,m_thread_requesti); /如果對應(yīng)生產(chǎn)者沒有生產(chǎn)，則等待；如果生產(chǎn)了,允許的消費者數(shù)目-1；實現(xiàn)了讀寫同步； wait_for_semaphore=WaitFo