进程的同步实验报告

操作系统实 验 报 告课程名称操作系统实验实验项目名称进程的同步学号班级姓名专业计算机科学与技术学生所在学院计算机科学与技术学院指导教师实验室名称地点计算机基础第七实验室 21B475 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院一、实验概述1. 实验名称进程的同步2. 实验目的使用EOS的信号量，编程解决生产者消费者问题，理解进程同步的意义。 调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。 修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。 3. 实验类型验证+设计4. 实验内容准备实验使用EOS的信号量解决生产者消费者问题调试EOS信号量的工作过程创建信号量等待释放信号量等待信号量（不阻塞）释放信号量（不唤醒）等待信号量（阻塞）释放信号量（唤醒）修改EOS的信号量算法二、实验环境WindowsXP + EOS集成实验环境三、实验过程1. 设计思路和流程图准备实验使用EOS的信号量解决生产者消费者问题调试EOS信号量的工作过程创建信号量释放信号量（唤醒）等待信号量（阻塞）释放信号量（不唤醒）等待信号量（不阻塞）等待释放信号量修改EOS的信号量算法结束实验 图4-1.整体试验流程图main函数开始创建Mutex对象创建Empty信号量对象创建Full信号量对象创建生产者线程创建消费者线程等待生产者线程和消费者线程结束关闭句柄main函数结束Producer函数开始生产完毕？等待Empty信号量对象等待Mutex对象生产一个产品，占用一个缓冲区循环向后移动缓冲区指针释放Mutex对象释放Full信号量对象等待500毫秒Producer函数结束Consumer函数开始消费完毕毕？等待Full信号量对象等待Mutex对象消费一个产品，清空一个缓冲区循环向后移动缓冲区指针释放Mutex对象释放Empty信号量对象前10个产品？等待2000毫秒等待100毫秒Consumer函数结束 图4-2.Main函数流程图、生产者消费、消费者流程图2. 算法实现3. 需要解决的问题及解答 (1). 思考在ps/semaphore.c文件内的PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数中，为什么要使用原子操作？ 答：在执行等待信号量和释放信号量的时候，是不允许cpu响应外部中断的，如果此时cpu响应了外部中断，会产生不可预料的结果，无法正常完成原子操作。(2). 绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。(3). P143生产者在生产了13号产品后本来要继续生产14号产品，可此时生产者为什么必须等待消费者消费了4号产品后，才能生产14号产品呢？生产者和消费者是怎样使用同步对象来实现该同步过程的呢？答：这是因为临界资源的限制。临界资源就像产品仓库，只有“产品仓库”空闲生产者才能生产东西，有权向里面放东西。所以它必须等到消费者，取走产品，“产品空间”（临界资源）空闲时，才继续生产14号产品。(4). 根据本实验3.3.2节中设置断点和调试的方法，自己设计一个类似的调试方案来验证消费者线程在消费24号产品时会被阻塞，直到生产者线程生产了24号产品后，消费者线程才被唤醒并继续执行的过程。 答：可以按照下面的步骤进行调试 (1) 删除所有的断点。 (2) 按F5启动调试。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话框。 (3) 在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。 (4) 在Consumer函数中等待Full信号量的代码行（第173行） WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, INFINITE); 添加一个断点。 (5) 在“断点”窗口（按Alt+F9打开）中此断点的名称上点击右键。 (6) 在弹出的快捷菜单中选择“条件”。 (7) 在“断点条件”对话框（按F1获得帮助）的表达式编辑框中，输入表达式“i = 24”。 (8) 点击“断点条件”对话框中的“确定”按钮。 (9) 按F5继续调试。只有当消费者线程尝试消费24号产品时才会在该条件断点处中断。4. 主要数据结构、实现代码及其说明修改PsWaitForSemaphore函数if (Semaphore-Count0)Semaphore-Count-;flag=STATUS_SUCCESS;/如果信号量大于零，说明尚有资源，可以为线程分配else flag=PspWait(&Semaphore-WaitListHead, Milliseconds);KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。return flag;/否则，说明资源数量不够，不能再为线程分配资源，因此要使线程等待修改PsReleaseSemaphore函数if (Semaphore-Count + ReleaseCount Semaphore-MaximumCount) Status = STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED; else / 记录当前的信号量的值。if (NULL != PreviousCount) *PreviousCount = Semaphore-Count;int mm=Semaphore-Count;/ 目前仅实现了标准记录型信号量，每执行一次信号量的释放操作/ 只能使信号量的值增加 1。while (!ListIsEmpty(&Semaphore-WaitListHead)&(ReleaseCount)PspWakeThread(&Semaphore-WaitListHead, STATUS_SUCCESS);PspThreadSchedule();ReleaseCount-;Semaphore-Count=mm+ReleaseCount;/ 可能有线程被唤醒，执行线程调度。Status = STATUS_SUCCESS;5. 源程序并附上注释#include psp.hVOIDPsInitializeSemaphore(IN PSEMAPHORE Semaphore,IN LONG InitialCount,IN LONG MaximumCount)/*+功能描述：初始化信号量结构体。参数：Semaphore - 要初始化的信号量结构体指针。InitialCount - 信号量的初始值，不能小于 0 且不能大于 MaximumCount。MaximumCount - 信号量的最大值，必须大于 0。返回值：无。-*/ASSERT(InitialCount = 0 & InitialCount 0);Semaphore-Count = InitialCount;Semaphore-MaximumCount = MaximumCount;ListInitializeHead(&Semaphore-WaitListHead);STATUSPsWaitForSemaphore(IN PSEMAPHORE Semaphore,IN ULONG Milliseconds)/*+功能描述：信号量的 Wait 操作（P 操作）。参数：Semaphore - Wait 操作的信号量对象。Milliseconds - 等待超时上限，单位毫秒。返回值：STATUS_SUCCESS。当你修改信号量使之支持超时唤醒功能后，如果等待超时，应该返回 STATUS_TIMEOUT。-*/BOOL IntState;STATUS flag;ASSERT(KeGetIntNesting() = 0); / 中断环境下不能调用此函数。IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); / 开始原子操作，禁止中断。/ 目前仅实现了标准记录型信号量，不支持超时唤醒功能，所以 PspWait 函数/ 的第二个参数的值只能是 INFINITE。if (Semaphore-Count0)Semaphore-Count-;flag=STATUS_SUCCESS;else flag=PspWait(&Semaphore-WaitListHead, Milliseconds);KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。return flag;STATUSPsReleaseSemaphore(IN PSEMAPHORE Semaphore,IN LONG ReleaseCount,OUT PLONG PreviousCount)/*+功能描述：信号量的 Signal 操作（V 操作）。参数：Semaphore - Wait 操作的信号量对象。ReleaseCount - 信号量计数增加的数量。当前只能为 1。当你修改信号量使之支持超时唤醒功能后，此参数的值能够大于等于 1。PreviousCount - 返回信号量计数在增加之前的值。返回值：如果成功释放信号量，返回 STATUS_SUCCESS。-*/STATUS Status;BOOL IntState;IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); / 开始原子操作，禁止中断。if (Semaphore-Count + ReleaseCount Semaphore-MaximumCount) Status = STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED; else / 记录当前的信号量的值。if (NULL != PreviousCount) *PreviousCount = Semaphore-Count;int mm=Semaphore-Count;/ 目前仅实现了标准记录型信号量，每执行一次信号量的释放操作/ 只能使信号量的值增加 1。while (!ListIsEmpty(&Semaphore-WaitListHead)&(ReleaseCount)PspWakeThread(&Semaphore-WaitListHead, STATUS_SUCCESS);PspThreadSchedule();ReleaseCount-;Semaphore-Count=mm+ReleaseCount;/ 可能有线程被唤醒，执行线程调度。Status = STATUS_SUCCESS;KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。return Status;/ 下面是和信号量对象类型相关的代码。/ 信号量对象类型指针。POBJECT_TYPE PspSemaphoreType = NULL;/ 用于初始化 semaphore 结构体的参数结构体。typedef struct _SEM_CREATE_PARAMLONG InitialCount;LONG MaximumCount;SEM_CREATE_PARAM, *PSEM_CREATE_PARAM;/ semaphore 对象的构造函数，在创建新 semaphore 对象时被调用。VOIDPspOnCreateSemaphoreObject(IN PVOID SemaphoreObject,IN ULONG_PTR CreateParam)PsInitializeSemaphore( (PSEMAPHORE)SemaphoreObject, (PSEM_CREATE_PARAM)CreateParam)-InitialCount, (PSEM_CREATE_PARAM)CreateParam)-MaximumCount );/ semaphore 对象类型的初始化函数。VOIDPspCreateSemaphoreObjectType(VOID)STATUS Status;OBJECT_TYPE_INITIALIZER Initializer;Initializer.Create = PspOnCreateSemaphoreObject;Initializer.Delete = NULL;Initializer.Wait = (OB_WAIT_METHOD)PsWaitForSemaphore;Initializer.Read = NULL;Initializer.Write = NULL;Status = ObCreateObjectType(SEMAPHORE, &Initializer, &PspSemaphoreType);if (!EOS_SUCCESS(Status) KeBugCheck(Failed to create semaphore object type!);/ semaphore 对象的构造函数。STATUSPsCreateSemaphoreObject(IN LONG InitialCount,IN LONG MaximumCount,IN PSTR Name,OUT PHANDLE SemaphoreHandle)STATUS Status;PVOID SemaphoreObject;SEM_CREATE_PARAM CreateParam;if(InitialCount 0 | MaximumCount MaximumCount)return STATUS_INVALID_PARAMETER;/ 创建信号量对象。CreateParam.InitialCount = InitialCount;CreateParam.MaximumCount = MaximumCount;Status = ObCreateObject( PspSemaphoreType, Name, sizeof(SEMAPHORE), (ULONG_PTR)&CreateParam, &SemaphoreObject);if (!EOS_SUCCESS(Status) return Status;Status = ObCreateHandle(SemaphoreObject, SemaphoreHandle);