郑帅实验报告.doc

课 程 设 计 说 明 书设计题目： 操作系统课程设计 专 业： 数学与应用数学 班级： 08级 学 号： 200801050735 姓名： 郑帅 山 东 科 技 大 学2011 年 07 月 08 日课 程 设 计 任 务 书学院 信息科学与工程 专业 数学与应用数学 班级 08级 姓名 郑帅 一、课程设计题目： 操作系统课程设计 二、课程设计主要参考资料（1）Abraham Silberschatz & Peter Baer Galvin & Greg Gagne. Operating System Concepts（第七版 影印版）. 高等教育出版社. 2007.3. （2）陈向群,等.Windows内核实验教程.机械工业出版社.2004.7. （3） 三、课程设计应解决的主要问题：（1） 读者写者问题 （2） 内存管理 （3） 软盘I/0 （4） 四、课程设计相关附件（如：图纸、软件等）：（1） 程序源代码 （2） 五、任务发出日期： 2011-05-10 课程设计完成日期： 2011-07-08 指导教师签字： 系主任签字： 指导教师对课程设计的评语成绩： 指导教师签字： 年 月 日山东科技大学学生课程设计设计1 读者写者问题一、设计目的1、在Windows 环境下，创建一个控制台进程，此进程包括n个线程。用这n个线程来表示n个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件的要求进行读写操作。2、用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的的读者-写者问题。3、理解并能够灵活使用同步互斥机制和进程间通信机制。二、设计要求在Windows 2000/XP环境下，使用多线程和信号量机制实现经典的读者写者问题，每个线程代表一个读者或一个写者。每个线程按相应测试数据文件的要求，进行读写操作。请用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的读者-写者问题。读者-写者问题的读写操作限制：(1)写-写互斥，即不能有两个写者同时进行写操作(2)读-写互斥，即不能同时有一个读者在读，同时却有一个写者在写(3)读-读允许，即可以有二个以上的读者同时读读者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一读者正在进行读操作，则该读者可直接开始读操作。写者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一写者在等待访问共享资源，则该读者必须等到没有写者处于等待状态后才能开始读操作。运行结果显示要求：要求在每个线程创建、发出读写操作申请、开始读写操作和结束读写操作时分别显示一行提示信息，以确信所有处理都遵守相应的读写操作限制。三、设计说明1概要设计1）读者优先：读者优先指的是除非有写者在写文件，否则读者不需要等待。所以可以用一个整数变量ReadCount记录当前的读者数目，用于确定是否需要释放正在等待的写者进程当ReadCount=0时，表明所有的读者读完，需要释放写者等待队列中的一个写者。每当一个读者开始读文件时，必须修改ReadCount变量。因此需要一个互斥对象rmutex来实现对全局变量ReadCount修改时的互斥。2）写者优先：写者优先和读者优先有相同之处，不同的地方在：一旦有一个写者到来时，应该尽快让写者进行写，如果有一个写者在等待，则新到的读者操作不能读操作，为此添加一个整型变量writecount,记录写者的数目，当writecount=0时才可以释放读者进行读操作！ 为了实现对全局变量writecount的互斥访问，设置了一个互斥对象Mutex3。为了实现写者优先，设置一个临界区对象read,当有写者在写或等待时，读者必须阻塞在临界区对象read上。 读者除了要一个全局变量readcount实现操作上的互斥外，还需要一个互斥对象对阻塞在read这一个过程实现互斥，这两个互斥对象分别为mutex1和mutex2。2 程序结构3 详细代码#include windows.h#include #include #include #include #include #include #define READER R /读者#define WRITER w /写者#define INTE_PER_SEC 1000 /每秒时钟中断数目#define MAX_THREAD_NUM 64 /最大线程数目#define MAX_FILE_NUM 32 /最大数据文件数目#define MAX_STR_LEN 32 /字符串长度int readcount=0; /读者数目int writecount=0; /写者数目CRITICAL_SECTION RP_Write; /临界区CRITICAL_SECTION cs_Write;CRITICAL_SECTION cs_Read;struct ThreadInfoint serial; /线程序号char entity; /线程类别（判断是读者线程还是写者线程double delay; /线程延迟double persist; /线程读写操作持续时间;/读者优先-读者线程/p:读者线程信息void RP_ReaderThread(void* p)HANDLE h_Mutex; /互拆变量h_Mutex=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,mutex_for_readcount);DWORD wait_for_mutex; /等待互斥变量所有权 DWORD m_delay; /延迟时间DWORD m_persist; /读文件持续时间int m_serial; /线程序号 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); /延迟等待 printf(Reader thread %d sent the reading require .n,m_serial);/等待互斥信号,保证readcount的访问,修改互斥 wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1);/读者数目增加readcount+;if(readcount=1)/第一个读者,等待资源EnterCriticalSection(&RP_Write);ReleaseMutex(h_Mutex); /释放互斥信号/读文件 printf(Reader thread %d begins to read file .n,m_serial);Sleep(m_persist);/退出线程 printf(Reader thread %d finished reading file .n,m_serial);/等待互斥信号,保证readcount的访问,修改互斥 wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1); /读者数目减少readcount-;if(readcount=0)/如果所有读者读完,唤醒读者 LeaveCriticalSection(&RP_Write);ReleaseMutex(h_Mutex); /释放互斥信号/读者优先-写者线程/p:写者线程信息void RP_WriterThread(void *p) DWORD m_delay; /延迟时间DWORD m_persist; /写文件持续时间int m_serial; /线程序号/从参数中获取信息 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); /延迟等待 printf(Writer thread %d sents the writting require .n,m_serial);/等待资源EnterCriticalSection(&RP_Write);/写文件 printf(Writer thread %d begins to write to the file .n,m_serial);Sleep(m_persist);/退出线程 printf(Writer thread %d finishing writing to the file .n,m_serial);LeaveCriticalSection(&RP_Write); /释放资源 /读者优先处理函数/file：文件名void ReaderPriority(char* file)DWORD n_thread=0; /线程数目DWORD thread_ID; /线程IDDWORD wait_for_all;/等待所有线程结束/互斥对象HANDLE h_Mutex;h_Mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,mutex_for_readcount);/线程对象的数组HANDLE h_ThreadMAX_THREAD_NUM;ThreadInfo thread_infoMAX_THREAD_NUM;readcount=0; /初始化readcountInitializeCriticalSection(&RP_Write); /初始化临界区ifstream inFile; inFile.open(file); /打开文件printf(Reader Priority :nn);while(inFile)/读入每一个读者、写者的信息inFilethread_infon_thread.serial; inFilethread_infon_thread.entity; inFilethread_infon_thread.delay; inFilethread_infon_thread+.persist;inFile.get(); for(int i=0;iserial;m_delay=(DWORD)(ThreadInfo*)(p)-delay*INTE_PER_SEC);m_persist=(DWORD)(ThreadInfo*)(p)-persist*INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay); /延迟等待printf(Reader thread %d sents the reading require n,m_serial); /进入读者临界区EnterCriticalSection(&cs_Read); /读文件 printf(Reader thread %d begins to read file n,m_serial); Sleep(m_persist); /退出线程 printf(Reader thread %d finishing writing to the file.n,m_serial); /阻塞互斥对象mutex2，保证对writecount的访问、修改互斥 LeaveCriticalSection(&cs_Read);/写者优先-写者线程/p:写者线程信息void WP_WriterThread(void* p)DWORD wait_for_mutex;DWORD m_delay;/延迟时间DWORDm_persist;/读文件持续时间 int m_serial; /线程序号 HANDLE h_Mutex; /互斥对象h_Mutex=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,mutex_for_writecount); /从参数中获得信息 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); /延迟等待printf(Writer thread %d sents the writing require n,m_serial); /阻塞互斥对象mutex.保证对readcount的访问、修改互斥wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1);writecount+; /修改读者数目 if(writecount=1)/如果是第一个写者，等待读者读完EnterCriticalSection(&cs_Read); ReleaseMutex(h_Mutex);/释放互斥信号mutex3 /读文件 printf(Writer thread %d begins to read file n,m_serial); Sleep(m_persist); /退出线程 printf(Writer thread %d finishing writing to the file.n,m_serial); /阻塞互斥对象mutex，保证对writecount的访问、修改互斥 wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1); writecount-; if(writecount=0) /写者写完，读者可以读 LeaveCriticalSection(&cs_Read); ReleaseMutex(h_Mutex);/写着优先处理函数/file:文件名void writerPriority(char *file)DWORD n_thread=0; /线程数目DWORD thread_ID; /线程IDDWORD wait_for_all; /等待所有线程结束 HANDLE h_Mutex; /互斥对象h_Mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,mutex_for_writecount);HANDLE h_threadMAX_THREAD_NUM; /线程对象ThreadInfo thread_infoMAX_THREAD_NUM;readcount=0; /初始化readcountwritecount=0; /初始化writecountInitializeCriticalSection(&cs_Write); /初始化临界区InitializeCriticalSection(&cs_Read);ifstream inFile;inFile.open(file); /打开文件printf(Writer Priority:nn);while(inFile)/读入每一个读者、写着的信息 inFilethread_infon_thread.serial; inFilethread_infon_thread.entity; inFilethread_infon_thread.delay; inFilethread_infon_thread.persist;n_thread+; inFile.get(); for(int i=0;i(int)(n_thread);i+)if(thread_infoi.entity=READER|thread_infoi.entity=r) /创建读者线程 h_threadi=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_ReaderThread),&thread_infoi,0,&thread_ID); else /创建写着线程h_threadi=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_ReaderThread),&thread_infoi,0,&thread_ID);/等待所有线程结束wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_thread,TRUE,-1);printf(All reader and writer have finished operating.n);/主函数int main(int argc,char* argv)char ch;FILE *file;file=fopen(thread.dat,r);while(true)/打印提示信息printf(*n);printf( 1: Reader Priority n);printf( 2: Writer Priority n);printf( 3: Exit to Windows n); printf(*n);printf(Enter your choice(1,2 or 3):);/如果输入不正确，继续输入doch=(char)_getch();while(ch!=1&ch!=2&ch!=3);system(cls);if(ch=3) /选择3，返回return 0;else if(ch=1) /选择1，读者优先ReaderPriority(thread.dat);else /选择2，写着优先writerPriority(thread.dat);printf(nPress Any Key To Continue:); /结束_getch();system(cls);return 0;四、运行结果及分析1、输入：1 R 3 52 W 4 53 R 5 24 R 6 55 W 5.1 32、读者优先结果：3、分析如下：写者2发出写申请时，因为读者1在读文件，所以写者2阻塞。读者3发出读申请后，立即得到满足。写者5发出写申请时，因为读者1和3在读文件，所以写者5阻塞。读者4发出读申请后，立即得到满足。等到所有读者完成读操作后，写者2和5开始执行写操作。五、总结通过这次课程设计，加深了我对操作系统进程互斥与同步的了解，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。学会了读者写者问题和PV操作同时掌握了WINAPI的一些知识。同时对实现线程同步的对象有了一定的理解： 对于互斥对象 首先，调用CreateMutex创建互斥对象；然后，调用等待函数，可以的话利用关键资源；最后，调用RealseMutex释放互斥对象。互斥对象可以在进程间使用，但关键段对象只能用于同一进程的线程之间。等待函数分两种情况：1.等待单个对象的(FOR SINGLE OBJECT): WaitForSingleObject,函数参数包括同步对象的句柄和等待时间等。如果等待时间不限制(Infinite)，则只有同步对象获得信号才返回；如果等待时间为0，则在测试了同步对象的状态之后马上返回。2.等待多个对象的(FOR MULTIPLE OBJECTS) WaitForMultipleObjects,函数参数包括同步对象的句柄，等待时间，是等待一个还是多个同步对象等等,如果等待时间不限制(Infinite)，则只有同步对象获得信号才返回；如果等待时间为0，则在测试了同步对象的状态之后马上返回。设计2 内存管理一、设计目的1、通过从不同侧面了解Window XP对用户进程的虚拟内存空间的个管理，分配方法。2、理解跟踪程序的编写方法（与被跟踪程序保持同步，使用Windows提供的信号量）；3、熟悉掌握对Windows分配虚拟内存，改变内存状态，以及对物理内存和页面文件状态查询的API函数功能、参数限制、使用规则。二、设计要求1、.使用Widows XP的API函数，编写一个包含两个线程的进程。一个线程用于模拟内存分配活动、一个线程用于跟踪第一个线程的内存行为，而且要求两个线程之间通过信号量实现同步。2、模拟内存活动的线程可以从一个文件中读出摇摇进行的内存操作，每个内存操作包括如下内容：l 时间：操作等待时间。l 块数：分配内存的粒度。l 操作：包括保留（reserve）一个区域、提交（commit）一个区域，释放（release）一个区域、回收（decommit）一个区域和加锁（lock）与解锁（unlock）一个区域，可以将这些操作编号存放于文件。l 大小：块的大小。l 访问权限：共五种，可以将这些权限编号存放在文件中跟踪线程将页面大小、已使用的地址范围、物理内存总量，以及虚拟内存总量等信息显示出来。三、设计说明1 系统流程图2 详细代码1）makefile.cpp#include #include #include #include struct operationint time; /起始时间int block; /内存页数int oper; /操作int protection; /权限;int main()FILE* file;file=fopen(opfile,wb); /openfile为二进制用以确定内存操作operation op;for(int j=0;j6;j+)for(int i=0;i5;i+) /0-保留；1-提交；2-锁；3-解锁；4-回收；5-释放op.time=rand()%1000; /随机生成等待时间op.block=rand()%5+1; /随机生成块大小op.oper=j;tection=i;fwrite(&op,sizeof(operation),1,file); /将生成的结构写入文件return 0;2)memory.cpp/内存管理实习/该文件从文件读入每次的操作，并将结果输出到out.txt文件中#include #include #include #include #include struct operationint time; /起始时间int block; /内存页数int oper; /操作int protection; /权限;struct trace /跟踪每一次分配活动的数据结构LPVOID start; /起始地址long size; /分配大小; HANDLE allo,trac; /信号量句柄DWORD Tracker(LPDWORD lpdwparm) /跟踪allocator线程的存行为，并输出必要信息ofstream outfile; /输出文件outfile.open(out.txt);for(int i=0;i=30;i+)WaitForSingleObject(trac,INFINITE); /等待allocatot一次内存分配活动结束outfileiendl; /打印内存状况和系统状况/以下一段显示系统信息，每次执行操作后系统信息不变 /*SYSTEM_INFO info; /系统信息 GetSystemInfo(&info);outfiledwActiveProcessorMasktinfo.dwActiveProcessorMaskendl;outfiledwAllocationGranularitytinfo.dwAllocationGranularityendl;outfiledwNumberOfProcessorstinfo.dwNumberOfProcessorsendl;outfiledwOemIdtinfo.dwOemIdendl;outfiledwPageSizetinfo.dwPageSizeendl;outfiledwProcessorTypetinfo.dwProcessorTypeendl;outfilelpMaximumApplicationAddresstinfo.lpMaximunApplicationAddressendl;outfilelpMinimumApplocationAddresstinfo.lpMinimumApplicationAddressendl;outfilewProcessorArchitecturetinfo.wProcessorArchitectureendl;outfilewProcessorLeveltinfo.wProcessorLevelendl;outfilewProcessorRevisiontinfo.wProcessorRevisionendloutfilewReservedtinfo.wReservedendl;outfile*endl;*/MEMORYSTATUS status;GlobalMemoryStatus(&status);outfiledwAvailPageFiletstatus.dwAvailPageFileendl;outfiledwAvailPhyststatus.dwAvailPhysendl;outfiledwAvailVirtualtstatus.dwAvailVirtualendl;outfiledwLengthtstatus.dwLengthendl;outfiledwMemoryLoadtstatus.dwMemoryLoadendl;outfiledwTotalPageFiletstatus.dwTotalPageFileendl;outfiledwTotalPhytstatus.dwTotalPhysendl;outfiledwTotalVirtualtstatus.dwTotalVirtualendl;outfile&endl;/以下一段显示系统信息，每次执行操作后系统信息不变 /* MEMORY_BASIC_INFORMATION mem;VirtualQuery(info.lpMinimumApplicationAddress,&mem,sizeof(MEMORY_BASIC_INFORMATION);outfileAllocationBasetmem.AllocationBaseendl;outfileAllocationProtecttmem.AllocationProtectendl;outfileBaseAddresstmem.BaseAddressendl;outfileProtecttmem.Protectendl;outfileRegionSizetmem.RegionSizeendl;outfileStatetmem.Stateendl;outfileTypetmem.Typeendl;outfileendl;*/释放信号量通知allocator可以执行下一次内存分配活动ReleaseSemaphore(allo,1,NULL);return 0;void Allocator() /模拟内存分配活动线程trace traceArray5;int index=0;FILE* file;file=fopen(opfile,rb); /读入文件operation op;SYSTEM_INFO info;DWORD temp;GetSystemInfo(&info);for(int i=0;i30;i+)WaitForSingleObject(allo,INFINITE); /等待tracker打印结束的信号量couti:;fread(&op,sizeof(operation),1,file);Sleep(op.time); GetSystemInfo(&info);switch(tection) /根据文件内容确定权限case 0:index=0;temp=PAGE_READONLY;break;case 1:temp=PAGE_READWRITE;break;case 2:temp=PAGE_EXECUTE;break;case 3:temp=PAGE_EXECUTE_READ;break;case 4:temp=PAGE_EXECUTE_READWRITE;break;default:temp=PAGE_READONLY;switch(op.oper)case 0: /保留一个区域coutreserve now endl; traceArrayindex.start=VirtualAlloc(NULL,op.block*info.dwPageSize,MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);traceArrayindex+.size=op.block*info.dwPageSize;coutstarting address:traceArrayindex-1.starttsize:traceArrayindex-1.sizeendl;break;case 1: /提交一个区域coutcommit now endl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc(traceArrayindex.start,traceArrayindex.size,MEM_COMMIT,temp);index+;coutstarting address:traceArrayindex-1.starttsize:traceArrayindex-1.sizeendl;break;case 2: /锁一个区域coutlock nowendl;coutstarting address:traceArrayindex.starttsize:traceArrayindex.sizeendl;if(!VirtualLock(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size)coutGetLastError()endl;break;case 3: /解锁一个区域coutunlock nowendl;coutstarting address:traceArrayindex.starttsize:traceArrayindex.sizeendl; if(!VirtualLock(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size)coutGetLastError()endl;break;case 4: /后手一个区域coutdecommit nowendl;coutstarting address:traceArrayindex.starttsize:traceArrayindex.sizeendl; if(!VirtualFree(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size,MEM_DECOMMIT)coutGetLastError()endl;break;case 5: /释放一个区域coutrelease nowendl;coutstarting address:traceArrayi