操作系統(tǒng)實驗5

1、 操作系統(tǒng)實 驗 報 告課程名稱操作系統(tǒng)實驗實驗項目名稱進程的同步學號2012201425班級20122014姓名顏凡騰專業(yè)軟件工程學生所在學院軟件學院指導教師曹雪實驗室名稱地點21b哈爾濱工程大學軟件學院 一、實驗概述1. 實驗名稱 進程的同步2. 實驗目的使用 EOS 的信號量， 編程解決生產(chǎn)者消費者問題，理解進程同步的意義。調(diào)試跟蹤 EOS 信號量的工作過程，理解進程同步的原理。修改 EOS 的信號量算法，使之支持等待超時喚醒功能（有限等待），加深理解進程同步的原理。3. 實驗類型設計二、實驗環(huán)境OS Lab三、實驗過程使用EOS的信號量解決生產(chǎn)者消費者問題：立即激活虛擬機窗口查看生產(chǎn)者

2、消費者同步執(zhí)行的過程調(diào)試EOS信號量的工作過程：創(chuàng)建信號量按 F5 繼續(xù)調(diào)試，到斷點處中斷。觀察 PsInitializeSemaphore 函數(shù)中用來初始化信號量結(jié)構(gòu)體成員的值，應該和傳入 CreateSemaphore 函數(shù)的參數(shù)值是一致的按 F10 單步調(diào)試 PsInitializeSemaphore 函數(shù)執(zhí)行的過程，查看信號量結(jié)構(gòu)體被初始化的過程。打開“調(diào)用堆?！贝翱冢榭春瘮?shù)的調(diào)用層次。等待、釋放信號量：等待信號量（不阻塞）按 F10 單步調(diào)試，直到完成 PsWaitForSemaphore 函數(shù)中的所有操作?？梢钥吹酱舜螆?zhí)行并沒有進行等待，只是將 Empty 信號量的計數(shù)減少了 1

3、（由 10 變?yōu)榱?9）就返回了。釋放信號量（不換醒）按 F10 單步調(diào)試，直到完成 PsReleaseSemaphore 函數(shù)中的所有操作?？梢钥吹酱舜螆?zhí)行沒有喚醒其它線程（因為此時沒有線程在 Full 信號量上被阻塞），只是將 Full 信號量的計數(shù)增加了 1（由 0 變?yōu)榱?1）。等待信號量（阻塞） 由于開始時生產(chǎn)者線程生產(chǎn)產(chǎn)品的速度較快，而消費者線程消費產(chǎn)品的速度較慢，所以當緩沖池中所有的緩沖區(qū)都被產(chǎn)品占用時，生產(chǎn)者在生產(chǎn)新的產(chǎn)品時就會被阻塞.在“調(diào)用堆?！贝翱谥须p擊 Producer 函數(shù)所在的堆棧幀，綠色箭頭指向等待 Empty 信號量的代碼行，查看 Producer 函數(shù)中變量

4、i 的值為 14，表示生產(chǎn)者線程正在嘗試生產(chǎn) 14 號產(chǎn)品。在“調(diào)用堆棧”窗口中雙擊 PsWaitForSemaphore 函數(shù)的堆棧幀，查看 Empty 信號量計數(shù)（ Semaphore->Count）的值為-1，所以會調(diào)用 PspWait 函數(shù)將生產(chǎn)者線程放入 Empty 信號量的等待隊列中進行等待（讓出 CPU）。激活虛擬機窗口查看輸出的結(jié)果。生產(chǎn)了從 0 到 13 的 14 個產(chǎn)品，但是只消費了從 0 到 13 的14 個產(chǎn)品，所以緩沖池中的 10 個緩沖區(qū)就都被占用了，這與之前調(diào)試的結(jié)果是一致的。釋放信號量（喚醒）只有當消費者線程從緩沖池中消費了一個產(chǎn)品，從而產(chǎn)生一個空緩沖區(qū)后

5、，生產(chǎn)者線程才會被喚醒并繼續(xù)生產(chǎn) 14 號產(chǎn)品。查看 Consumer 函數(shù)中變量 i 的值為 4。查看 PsReleaseSemaphore 函數(shù)中 Empty 信號量計數(shù)（ Semaphore->Count）的值為-1，和生產(chǎn)者線程被阻塞時的值是一致的。按 F10 單步調(diào)試 PsReleaseSemaphore 函數(shù)，直到在代碼行（第 132 行）PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead, STATUS_SUCCESS)處中斷。此時 Empty 信號量計數(shù)的值已經(jīng)由-1 增加為了 0，需要調(diào)用 PspWakeThread 函數(shù)喚醒阻塞

6、在 Empty 信號量等待隊列中的生產(chǎn)者線程（放入就緒隊列中），然后調(diào)用 PspSchedule 函數(shù)執(zhí)行調(diào)度，這樣生產(chǎn)者線程就得以繼續(xù)執(zhí)行。查看 PsWaitForSemaphore 函數(shù)中 Empty 信號量計數(shù)（ Semaphore->Count）的值為 0，和生產(chǎn)者線程被喚醒時的值是一致的。在“調(diào)用堆?！贝翱谥锌梢钥吹绞怯?Producer 函數(shù)進入的。 激活 Producer 函數(shù)的堆棧幀，查看Producer 函數(shù)中變量 i 的值為 14，表明之前被阻塞的、正在嘗試生產(chǎn) 14 號產(chǎn)品的生產(chǎn)者線程已經(jīng)從 PspWait 函數(shù)返回并繼續(xù)執(zhí)行了。修改EOS的信號量算法在目前 EOS

7、 Kernel 項目的 ps/semaphore.c 文件中， PsWaitForSemaphore 函數(shù)的 Milliseconds 參數(shù)只能是 INFINITE， PsReleaseSemaphore 函數(shù)的 ReleaseCount 參數(shù)只能是 1 ?，F(xiàn)在要求同時修改PsWaitForSemaphore 函數(shù)和 PsReleaseSemaphore 函數(shù)中的代碼，使這兩個參數(shù)能夠真正起到作用，使信號量對象支持等待超時喚醒功能和批量釋放功能。修改 PsWaitForSemaphore 函數(shù)：修改 PsReleaseSemaphore 函數(shù)測試：按 F5 調(diào)試執(zhí)行原有的生產(chǎn)者消費者應用程序項

8、目，其結(jié)果如下所示將 Producer 函數(shù)中等待 Empty 信號量的代碼行WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, INFINITE);替換為while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, 300)printf("Producer wait for empty semaphore timeoutn");將 Consumer 函數(shù)中等待 Full 信號量的代碼行WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, INFINI

9、TE);替換為while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, 300)printf("Consumer wait for full semaphore timeoutn");啟動調(diào)試新的生產(chǎn)者消費者項目，查看在虛擬機中輸出的結(jié)果，驗證信號量超時等待功能是否能夠正常執(zhí)行。將消費者線程修改為一次消費兩個產(chǎn)品，來測試ReleaseCount 參數(shù)是否能夠正常使用。4、 思考題1、 思考在 ps/semaphore.c 文件內(nèi)的 PsWaitForSemaphore 和PsReleaseSemaphore

10、函數(shù)中，為什么要使用原子操作？可以參考本書第 2 章中的第 2.6 節(jié)。答：當在執(zhí)行PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函數(shù)的時候，是不允許cpu響應外部中斷的，如果此時cpu響應了外部中斷，就會產(chǎn)生不可預料的結(jié)果，無法正常完成函數(shù)的功能。2、 繪制 ps/semaphore.c 文件內(nèi) PsWaitForSemaphore 和 PsReleaseSemaphore 函數(shù)的流程圖。PsWaitForSemaphore流程圖： PsReleaseSemaphore函數(shù)的流程圖: 3、 生產(chǎn)者線程和消費者線程是如何使用Mutex、Empty信號量和 Full信

11、號量來實現(xiàn)同步的？在兩個線程函數(shù)中對這三個同步對象的操作能夠改變順序嗎？答：Mutex、Empty、Full三個信號量的初始值分別為1、10、0，當出現(xiàn)一個生產(chǎn)者線程訪問緩沖池時，首先Empty要減1，如果大于0，就說明還有剩余的緩沖區(qū)可以讓生產(chǎn)者放入產(chǎn)品，小于等于0則生產(chǎn)者線程進入等待隊列；再對Mutex減1，如果大于等于0，就說明沒有線程占用著緩沖池，小于0則生產(chǎn)者線程進入等待隊列。生產(chǎn)完產(chǎn)品后，對Mutex值加1，解除封鎖；再對Full值加1，說明生產(chǎn)了一個產(chǎn)品占用了一個緩沖區(qū)。消費者線程也是這樣的，對信號量的操作順序與生產(chǎn)者線程是相反。不能對這三個同步對象的操作改變順序，否則可能造成死

12、鎖。4、 生產(chǎn)者在生產(chǎn)了13號產(chǎn)品后本來要繼續(xù)生產(chǎn)14號產(chǎn)品，可此時生產(chǎn)者為什么必須等待消費者消費了4號產(chǎn)品后，才能生產(chǎn)14號產(chǎn)品呢？生產(chǎn)者和消費者是怎樣使用同步對象來實現(xiàn)該同步過程的呢？答：因為臨界資源的訪問是受限制的，程序中限定了緩沖池的大小值為10，只有緩沖池空余時生產(chǎn)者才能向里邊放產(chǎn)品，同時只有緩沖池有產(chǎn)品的時候消費者才能向外取東西。當生產(chǎn)者生產(chǎn)了13號產(chǎn)品后，共生產(chǎn)了從0到13的14個產(chǎn)品，但是只取走了從0到3的4個產(chǎn)品，所以緩沖池中的10個緩沖區(qū)就都被占用了，所以不能繼續(xù)生產(chǎn)14號產(chǎn)品，而要等到消費者消費掉一個產(chǎn)品后，緩沖池有空余位置，才能繼續(xù)生產(chǎn)14號產(chǎn)品。當生產(chǎn)者線程生產(chǎn)了13號產(chǎn)品以后，這時候Full信號量的值為10，而Empty信號量的值為0，此時若生產(chǎn)者線程要再生產(chǎn)一個產(chǎn)品，先對Empty減1，此時Empty值小于零，生產(chǎn)者線程進入等待隊列；而此時若有一個消費者線程要消費一個產(chǎn)品，先對Full減1，此時Full值為9，大于0，如果沒有線程占用緩沖池，消費者可以消費一個產(chǎn)品。這樣，生產(chǎn)者和消費者就能實現(xiàn)同步過程了。5、 實驗體會通過本次實驗，我對EOS操作系統(tǒng)的P、V操作的調(diào)試，以及對源碼的閱讀，有了一個更加深入的理解，學會了一個真正運行的操作系統(tǒng)中是如何通過信號量以及P、V操作來解決進程同步問題的。我在這次實驗中遇到的難點是修改PsReleas