计算机操作系统课程设计报告

操操 作作 系系 统统 设设 计计 报报 告告 姓名 韦李姓名 韦李 学号 学号 5 日期 日期 2013 年年 12 月月 30 日日 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 1 目录目录 第 1 章 需求分析 1 1 1 设计题目 1 1 2 设计目的 1 1 3 设计环境与工具 1 1 3 1 设计环境 1 1 3 2 设计工具 1 1 4 设计要求 1 第 2 章 概要设计 2 2 1 设计内容与原理 2 2 1 1 设计内容 2 2 1 2 设计原理 2 2 2 程序流程图 3 第 3 章 详细设计 5 3 1 数据结构 5 3 2 算法说明 5 3 2 1 同步机制原语算法 5 3 2 2 具体算法实现 6 3 3 具体程序实现 7 3 3 1 生产者方法 7 3 3 2 消费者方法 7 3 3 3 多线程实现 8 第 4 章 程序运行结果和分析 10 4 1 运行结果 10 4 2 结果分析 10 第 5 章 总结与体会 11 附录 源程序 14 2 第 1 章 需求分析 1 1 设计题目 用多线程同步方法解决生产者 消费者问题 1 2 设计目的 1 通过编程实现生产者与消费者问题 了解进程同步的概念 理解信号量 机制的原理 2 掌握运用信号量解决进程同步问题的方法 学会运用进程的同步于互斥 结局生产者与消费者的冲突问题 3 通过研究 Linux 的线程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制 1 3 设计环境与工具 1 3 1 设计环境 Fedora 10 操作系统 1 3 2 设计工具 Vi 编辑器 gcc 编译器 1 4 设计要求 1 有界缓冲区内设有 20 个存储单元 放入 取出的数据项设定为 1 20 这 20 个整型数 2 每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后 即时显示有界缓冲区的 全部内容 当前指针位置和生产者 消费者线程的标识符 3 生产者和消费者各有两个以上 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 3 4 多个生产者或多个消费者之间须共享对缓冲区进行操作的函数代码 第 2 章 概要设计 2 1 设计内容与原理 2 1 1 设计内容 在同一个进程地址空间内执行的两个线程 生产者生产物品 然后将物品放 置在一个空缓冲区中供消费者线程消费 消费者线程从缓冲区中获得物品 然 后释放缓冲区 当生产者线程生产物品时 如果没有空缓冲区可用 那么生产 者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区 当消费者线程消费物品时 如果没有满的缓冲区 那么消费者线程将被阻塞 知道新的物品被生产出来 我的具体做法也是如此 建立缓冲区 生产者生产的产品放入 消费者从中取 产品 如果没有产品 则等待 2 1 2 设计原理 要实现生产者与消费者的互斥关系 生产者和消费者进程之间必须满足两 个同步条件 1 只有在缓冲池中至少有一个缓冲区已存入消息后 消费者才可 以从中提取消息 否则消费者必须等待 2 只有缓冲池中至少有一个缓冲区 是空时 生产者才可以把消息放入缓冲区中 否则生产者必须等待 要满足第一个同步条件 设置一个同步信号量 full sem 它的值为 20 时 整个缓冲区满 这个资源是消费者进程所拥有 消费者进程可以申请资源 对 它做 P 操作 另外一个信号量 empty sem 它的初值为 20 表示整个缓冲区都 是空的 可以用 full sem 表示空缓冲区数量 empty sem 表示满缓冲区数量 另外有界缓冲区是一个临界资源 必须互斥使用 所以必须再设置一个互斥信 号量 mux 初值为 1 在生产者 消费者问题中 信号量实现两种功能 首先 它是跟踪资源的生 产和消费的计数器 其次 它是协调产品的生产者和消费者之间动作同步的同 4 步器 消费者通过再一指派给它的信号量上做 P 操作来表示消耗资源 而生产 者通过再同一个信号量上做 V 操作来表示生产资源 而这种信号量的实施中 计数在每次 P 操作后减 1 而在每次 V 操作后加 1 这个计数器的初始值是可利 用的资源数目 当资源是不可利用时 将申请资源的进程防止在等待队列中 如果有一个资源释放 在等待队列中的第一个进程被唤醒并得到资源的控制权 假定在生产者和消费者之间的公用缓冲区中 具有 n 个缓冲区 这时可以 利用互斥信号量 mutex 实现诸进程对缓冲区的互斥使用 利用信号量 empty 和 full 分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量 又假定这些生产者和消费 者互相等效果 只要缓冲区未满 生产者便可以将消息送入缓冲池 只要缓冲 池未空 消费者便可以从缓冲池中取走一个消息 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 5 2 2 程序流程图 生产一条数据 是否可用 存储单元 是否可用 存入一条数据 归还使用权 数据单元加 1 唤醒一个消费者 等待资源 阻塞 被唤醒 等待使用权 阻塞 被唤醒 无 有 否 图 2 1 生产者流程图 6 是否有数 据单元 是否可用 取走一条数据 归还使用权 空单元加 1 唤醒 一个生产者 消费数据 等待资源 阻塞 被唤醒 等待使用权 阻塞 被唤醒 有 是 否 图 2 2 消费者流程图 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 7 第 3 章 详细设计 3 1 数据结构 define N 2 消费者或者生产者的数目 define M 10 缓冲数目 int in 0 生产者放置产品的位置 int out 0 消费者取产品的位置 int buff M 0 缓冲初始化为 0 开始时没有产品 sem t empty sem 同步信号量 当满了时阻止生产者放产品 sem t full sem 同步信号量 当没产品时阻止消费者消费 pthread mutex t mutex 互斥信号量 一次只有一个线程访问缓冲 int product id 0 生产者 id int prochase id 0 消费者 id 3 2 算法说明 3 2 1 同步机制原语算法 P 进程不能往 满 的缓冲区中放产品 设置信号量为 sem empty Q 进程不能从 空 的缓冲区中取产品 设置信号量为 sem full 先设置信号量 sem empty 初值为 1 sem full 初值为 0 实现原语如下 P Q While true while true 生产一个产品 P sem full P Sem empty 从缓冲区去产品 送产品到缓冲区 V sem empty V sem full 消费产品 P 原语操作的主要动作是 1 sem 减 1 8 2 若 sem 减 1 后仍大于或等于零 则进程继续执行 3 若 sem 减 1 后仍小于零 则该进程被阻塞后与该信号所对应的队列中 然后 转入进程调度 V 原语操作的主要动作时 1 Sem 加 1 2 若相加结果大于零 3 若相加结果小于或者等于零 则从该信号的等待队列中唤醒一等待队列 然 后再返回原进程继续执行或转入进程调度 3 2 2 具体算法实现 Semaphore mutex 1 定义互斥信号量 Semaphore empty n 定义同步信号量 Semaphore full 0 item n 定义缓冲池 Int in 0 生产者放置位置 Int out 0 消费者放置位置 Producer 生产者 While true Produce an item in next product 生产者产生数据 Swait empty mutex 等待缓冲区空信号量 Array in next product 将数据放入缓冲池 In in 1 n Ssignal mutex full Consumer 消费者 While true Swait full mutex 等待缓冲池满信号量 Next consumer array out 从缓冲池取出数据 Out out 1 n Ssignal mutex empty Consume the product in next consumer 等待下一个消费者取出数 据 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 9 3 3 具体程序实现 3 3 1 生产者方法 在生产者方法的实现中 先产生一个数据 然后判断缓冲池空信号量 如 果缓冲池至少有一个为空则将先将缓冲池上锁 然后将数据放入缓冲池 将放 入数据位置指针后移 放入数据后将缓冲池解锁 如果缓冲池为满 则生产者 线程进入阻塞状态 进入进程调度队列 并等待缓冲池空信号量 生产者方法 void product int id product id while 1 用 sleep 的数量可以调节生产和消费的速度 便于观察 sleep 1 sleep 1 sem wait 等待缓冲池空信号量 pthread mutex lock 对缓冲池上锁 in in M printf product d in d like t id in 显示生产者 ID buff in 1 将数据放入缓冲区 print 打印存数结果 in 写入位置指针后移 pthread mutex unlock 对缓冲池解锁 sem post 等待缓冲池满信号量 3 3 2 消费者方法 在消费者方法实现中 首先判断缓冲池满信号量 如果缓冲池中不为空 则进行取数操作 并对缓冲池上锁 取数后 显示消费者 ID 随后对缓冲池解 锁 如果缓冲池为空 则不对缓冲池操作 消费者线程进入阻塞状态 进入线 程调度队列 消费者方法 10 void prochase int id prochase id while 1 用 sleep 的数量可以调节生产和消费的速度 便于观察 sleep 1 sleep 1 sem wait 等待缓冲池满指针 pthread mutex lock 对缓冲池上锁 out out M printf prochase d in d like t id out 答应消费者 ID buff out 0 print 答应信息 out 取数指针后移 pthread mutex unlock 对缓冲池解锁 sem post 3 3 3 多线程实现 在线程的创建时 可以用函数 pthread create 用来创建一个线程 它的原 型为 int pthread create P pthread t thread const pthread attr t attr void start routine void void arg 第一个参数为指向线程标识符的指针 第二个参数用来设置线程属性 第 三个参数是线程运行函数的起始地址 最后一个参数是运行函数的参数 这里 我们的函数 thread 不需要参数 所以最后一个参数设为空指针 第二个参数我 们也设为空指针 这样将生成默认属性的线程 函数 pthread join 用来等待一个线程的结束 函数原型为 extern int pthread join P pthread t th void thread return 第一个参数为被等待的线程标识符 第二个参数为一个用户定义的指针 它可以用来存储被等待线程的返回值 这个函数是一个线程阻塞的函数 调用 它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止 当函数返回时 被等待线程的 资源被收回 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 11 一个线程的结束有两种途径 一种是象我们上面的例子一样 函数结束了 调用它的线程也就结束了 另一种方式是通过函数 pthread exit 来实现 它的 函数原型为 extern void pthread exit P void retval attribute noreturn 唯一的参数是函数的返回代码 只要 pthread join 中的第二个参数 thread return 不是 NULL 这个值将被传递给 thread return 最后要说明的 是 一个线程不能被多个线程等待 否则第一个接收到信号的线程成功返回 其余调用 pthread join 的线程则返回错误代码 ESRCH 创建 N 个生产者线程 for i 0 i N i ret i pthread create 将生产者方法创建成线程 if ret i 0 printf product d creation failed n i 打印线程创建信息 exit 1 创建 N 个消费者线程 for i 0 i N i ret i pthread create 将消费 者方法创建成线程 if ret i 0 printf prochase d creation failed n i 打印消费者线程创建 信息 exit 1 销毁线程 for i 0 i N i pthread join id1 i NULL pthread join id2 i NULL exit 0 12 第 4 章 程序运行结果和分析 4 1 运行结果 4 2 结果分析 从运行结果截图中可以看到 程序创建了 5 个生产者线程 4 个消费者线 程 每次生产者线程产生一个数据并存入缓冲池中 每次消费者线程从缓冲池 中取出一个数 并且在每次生产者线程产生数据和消费者取出数据后都打印缓 冲区中的数据 武汉理工大学华夏学院 操作系统原理 课程设计说明书 13 第 5 章 总结与体会 经过快一个星期的努力 终于完成了这个课程设计 从刚开始看到这个课 程设计题目时的毫无头绪到最后实现算法和完成课程设计报告 遇到了很多的 困难 在平时操作系统的课上 老师也是主要讲解操作系统的原语算法和实现原 理 没有用具体语言实现 突然要求我们用一门具体语言实现生产者消费者算 法 一时有点举手无措的感觉 但是后来通过自己仔细分析课程设计要求 发 现课程设计的算法其实可以分为几个模块 并且每个模块都有很大的联系 比 如生产者的实现和消费的实现就是信号量的操作不同 于是自己下去后通过仔 细学习关于生产者消费者算法的实现和机制 终于理解了生产者消费者算法实 现的难点和关键 并通过在图书馆和网上查阅资料 也对用 Linux C 实现生产 者消费者算法有了一点大概的思路 在后来的实现算法的过程中也遇到了很多的困难 比如在算法中对两个信 号量的操作和多线程的实现 通过对 Linux C 的学习 我也知道了一些 Linux C 的信号量操作函数和信号量上锁函数 还有多线程操作中的创建线程和销毁 线程的函数 通过认真学习相关函数的调用方法和参数传递方法 终于解决了 设计中的困难 通过这次课程设计 自己也是受益匪浅 因为平时学到的大部分都是理论 知识 而课程设计就是将我们的理论应用到实践的过程 通过这个过程 也让 我们锻炼了自己的动手能力 也加深了我们对理论知识的理解 提高了我们对 操作系统这门课程的认识和理解 也加强了我们的学习效果 14 附录 源程序 include include include include include define N 2 消费者或者生产者的数目 define M 10 缓冲数目 int in 0 生产者放置产品的位置 int out 0 消费者取产品的位置 int buff M 0 缓冲初始化为 0 开始时没有产品 sem t empty sem 同步信号量 当满了时阻止生产者放产品 sem t full sem 同步信号量 当没产品时阻止消费者消费 pthread mutex t mutex 互斥信号量 一次只有一个线程访问缓冲 int product id 0 生产者 id int prochase id 0 消费者 id 打印缓冲情况 void print int i for i 0 i M i printf d buff i printf n 生产者方法 void product int id product id while 1 用 sleep 的数量可以调节生产和消费的速度 便于观察 sleep 1 sleep 1 sem wait pthread mutex lock in in M printf product d in d like t id in buff in 1 print in 武汉理工大学华夏学院