操作系统课程设计报告之和尚喝水 孟衡.docx

课程设计报告课程名称： 操作系统课程设计设计题目：进程同步P、V操作模拟和尚喝水 学 院： 管理工程学院 专 业： 信息管理与信息系统 组 别： 第 组 学生姓名: 孟衡 学 号: 1141807103 指导教师: 张正伟 目录1需求分析21.1需求概述21.2需求设计32功能设计32.1 实现方案42.2模块说明52.3 操作的流程图63开发环境及源程序的主要部分73.1开发环境83.2源程序94测试用例，测试过程及情况分析104.1测试用例134.2测试过程及情况分析145心得体会15进程P、V操作模拟设计 和尚喝水1需求分析1.1需求概述一个寺庙里有小老和尚若干，有一口水井由小和尚挑水入缸给老和尚饮用。水缸可以装10桶水，水取自同一口井，水井口较窄，每次只可容纳一只桶取水，寺庙里一共有3只水桶，每次倒入取用缸中水的量均为1桶，且二者不可同时进行。用P，V操作实现老和尚、小和尚、取水、用水喝水的同步进程控制，水缸水量用semaphore表示，水桶用pail表示，水缸容量用empty表示。1.2需求设计以上问题是进程同步的模拟，可以把井中取水、倒水入缸、用水喝水的过程可以看作是一个个进程的操作，这些进程是互斥的，同时也存在一定的同步关系。通过实际编程时来看，就是随机调用其中一个进程的操作，而这些进程的操作相当于程序中的函数调用。而计算机在执行的每一个时刻只能执行一个操作，这就默认了互斥。还有同步模拟是实现函数调用的前提关系，即先决条件。所以这样进程同步模拟就完全能够通过函数的调用来实现。 具体每一个操作对应的函数变量关系： 水井取水：semaphore小和尚准备取水：mutex1=1 水缸喝水：empty老和尚用桶喝水mutex2=1水缸初始量：full=0（最大值10） 水桶数量：pail=3 2功能设计2.1 实现方案(1)用一个变量full表示没水，初始值为0，当取水时full加1，用水时full减1。变量full=10是最大值，当值为10时表示水缸已经满，此时若进行装水操作，则将处于等待状态；为0时表示水缸无水，此时若进行用水喝水操作，则操作将处于等待状态。(2)变量mutex1和mutex2分别表示小和尚取水和老和尚喝水，初始都为1，semaphore= mutex1+ mutex2。(3)用6个bool型的变量 full_lag，semaphore_lag，mutex1_lag，mutex2_lag empty_lag，psil_lag表示六个进程是否处于等待状态。处于等待时，变量值为true。(4)若取水、喝水的进程同时处于等待状态时，用水的操作将自动执行等待取水的操作，执行按等待的先后顺序；若水缸满了、桶全用去喝水了的进程同时候处于等待状态时，取水的操作将自动执行等待喝水的操作，按等待的先后顺序进行。(5)用一个随机的函数产生05的6个整数，分别对应六个进程的调用。2.2模块说明2.2.1 main函数 用一个随机的函数产生05的6个整数，分别对应六个进程的调用，调用时程序自动输入，本程序共产生了10次随机的调用进程。2.2.2 6个进程函数 水井取水：semaphore小和尚准备取水：mutex1=1 水缸喝水：empty老和尚用桶喝水mutex2=1水缸初始量：full=0（最大值10） 水桶数量：pail=3 2.2.3 Print函数用于输出取水用水的情况和有哪些进程处于等待状态。2.3 操作的流程图231取水操作小和尚水井取水进程的操作流程图：semaphore：pail=0否否Empty_lay和pail_lay是否为ture是按等待先后顺序调用执行mutex1_lay或mutex2_lay是mutex1进程处于等待状态mutex1调用：pail-1full+1,Print()函数调用执行完毕并返回232用水操作老和尚用水喝水操作流程图：empty操作：full=0否否Semaphore_lay和pail_lay是否为ture是按等待先后顺序调用执行mutex1_lay或mutex2_lay是mutex2进程处于等待状态mutex2调用：full-1empty+1,Print()函数调用执行完毕并返回3开发环境及p、v操作语句的主要部分3.1开发环境 （1）使用系统：Windows 7（2）使用语言：C + +（3）开发工具：VC 6.03.2进程p、v操作原语Main()cobeginget();use();coendGet()/小和尚取水while(true)p(empty)p(count)P(mutex1)从井中取水；v(mutex1)； P(mutex2)； 将水倒入缸中； v(mutex2)； v(full)；v(pail)；Use()/老和尚while(true)p(full)p(count)P(mutex2)从缸中取水； v(mutex2)；v(empty)；喝水；v(count)；3.2.1C + + 源代码为了便捷地编写程序，特地把水缸水量semaphore、小和尚准备取水mutex1、从水井中取水mutex2、水缸容量empty、水缸无水：full、水桶数量pail简记为sem1、sem2、sem3、sem4、sem5、sem6。并规定：假设有5个小和尚同时提水入缸，5个老和尚同时取水喝（每隔一定时间取水一次）。#includewindows.h#includeusing namespace std;HANDLE sjing=CreateSemaphore(NULL,1,1,sem1);/水井的信号量HANDLE stong=CreateSemaphore(NULL,2,2,sem2);/小和尚用水桶的信号量HANDLE stong1=CreateSemaphore(NULL,1,1,sem3);/老和尚用水桶的信号量HANDLE sgang=CreateSemaphore(NULL,1,1,sem4);/水缸的信号量HANDLE full=CreateSemaphore(NULL,0,10,sem5);/缸中可取水的桶数HANDLE empty=CreateSemaphore(NULL,10,10,sem6);/缸中可容纳的水桶数int count=0;CRITICAL_SECTION cs;DWORD WINAPI youngFunc(LPVOID pArg)int i=(int)pArg;while(1)WaitForSingleObject(stong,INFINITE);/小和尚先取得水桶printf(%d号小和尚拿到了桶n,i);WaitForSingleObject(sjing,INFINITE);/小和尚先取得水井printf(%d号小和尚打上了水n,i);ReleaseSemaphore(sjing,1,NULL);/小和尚释放水井Sleep(1000);WaitForSingleObject(empty,INFINITE);/判断水缸是否已满WaitForSingleObject(sgang,INFINITE);/取得水缸的使用printf(tt%d号小和尚向缸中倒水n,i);EnterCriticalSection(&cs);count+;printf(tt缸中有%d桶n,count);LeaveCriticalSection(&cs);ReleaseSemaphore(sgang,1,NULL);/释放水缸ReleaseSemaphore(stong,1,NULL);/释放水桶printf(%d号小和尚放下了桶n,i);ReleaseSemaphore(full,1,NULL);/水缸中可使用水数量加1return NULL;DWORD WINAPI oldFunc(LPVOID pArg)int i=(int)pArg;while(1)Sleep(4000);WaitForSingleObject(full,INFINITE);/判断水缸是否有水WaitForSingleObject(stong1,INFINITE);/取得水桶printf(ttttt%d号老和尚拿到了桶n,i);WaitForSingleObject(sgang,INFINITE);/取得水缸的使用printf(ttttt%d号老和尚喝到了水n,i);EnterCriticalSection(&cs);count-;printf(tt缸中有%d桶n,count);LeaveCriticalSection(&cs);ReleaseSemaphore(sgang,1,NULL);/释放水缸ReleaseSemaphore(stong1,1,NULL);/释放水桶printf(ttttttt%d号老和尚放下了桶n,i);ReleaseSemaphore(empty,1,NULL);/水缸中可放水数量加1return NULL;int main() HANDLE young5;HANDLE old5;InitializeCriticalSection(&cs);for(int i=0;i5;i+)youngi=CreateThread(NULL,0,youngFunc,LPVOID(i),NULL,NULL);oldi=CreateThread(NULL,0,oldFunc,LPVOID(i),NULL,NULL);HANDLE p2;p0=young;p1=old;WaitForMultipleObjects(5,p,TRUE,INFINITE);getchar();return 0;备注：需求分析中给了三个木桶，如果对木桶不进行区分的话，则容易产生死锁。当小和尚占用了三个水桶，并且水缸中的水已满，这时候老和尚等待水桶取水，如果没了水桶，老和尚只能等待。小和尚占着水桶，老和尚等待着喝水，但是老和尚没有水桶没法喝，小和尚也只能一直等待。所以产生了死锁，所以才将水桶分开解决死锁。4测试用例，测试过程及情况分析4.1测试用例 由于程序模拟产生10次进程的操作，只需执行相应的函数来自动模拟进程同步就能得测试结果，所以运行程序并做好记录即可。4.2测试过程及情况分析代码连编展示如下： 在win7操作系统下利用vb 6.0编译软件实现从源代码到可执行文件的过程。第一次运行结果如图1为(图1)第二次运行结果如图2、3为： (图2) (图3)5课程设计总结和心得 总结：本次操作系统的课程设计主要解决的是进程中信号量机制的P、V操作问题，在次中过程中通过对信号量问题、pv原语问题、进程同步和互斥问题的分析解决，让我对操作系统课程的知识认识地透彻了，并总结出了一些规律方法。一、利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：进程P1 进程P2 进程Pn P(S); P(S); P(S);临界区; 临界区; 临界区;V(S); V(S); V(S); 其中信号量S用于互斥，初值为1。二、使用PV操作实现进程互斥时应注意：实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。互斥信号量的初值一般为1。三、利用信号量和PV操作实现进程同步：PV操作同步机制，即用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。四、使用PV操作实现进程同步时应注意:分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源(信号量)进行协调，从而明确要设置哪些信号量。信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。心得：因为想给自己一个挑战，所以我选择了一个人来独自完成本次设计的课题，期间虽然自己的专业知识不够硬屡屡在代码编写时碰壁，但是功夫不负有心人，经过多次试验之后代码终