操作系统课程设计

1、 河南城建学院操作系统课程设计报告课程名称： 操作系统课程设计 设计题目： 理发师问题 指导教师： 李蓓 耿永军 班 级： 学 号： 学生姓名： 同组人员： 成 绩： 评 语： 计算机科学与工程学院2014年6月19日2 前言现在计算机更新如此迅速的时代要学好计算机软件技术，特别是操作系统的学习，不仅要努力学好课本上的基础知识，还要经常在图书馆看些有关这方面的书籍，而更重要的是要有足够的实践经验，也要注重和同学的交流，经常尝试性的做些小的操作系统，对自己技术的提升会有很大的帮助。同时，学习计算机操作系统技术，除了需要刻苦努力外，还需要掌握软件和操作系统的原理与设计技巧。如何学习和掌握操作系统技

2、术的原理与实际技巧呢?除了听课和读书之外，最好的方法恐怕就是在实践中练习。例如，自己设计一个小型操作系统，多使用操作系统，多阅读和分析操作源代码等。但由于我们的条件和学时有限，在理论学习过程中没有给同学们提供更多的实验机会。本操作系统课程设计，是给同学提供一个集中实验的机会。希望同学们通过该设计加深对所学习课程的理解。本设计的内容是基于操作系统原理、C语言程序设计和数据结构等内容。本设计是基于课程中学到的UNIX系统调用，使用操作系统环境是Red Hat Linux 9，言语开发环境是Linux的GNU C或C+。完成本次课程设计，首先必须配置操作系统编写的所需的环境，包括虚拟机的建立和相应环

3、境建立。用VI编辑器编写相应得程序，以实现理发师进程的同步与互斥。目录第一章.系统环境11.1硬件环境11.2软件环境1第二章.设计目的及要求22.1设计目的22.2 要求22.3 内容2第三章.总体设计33.1程序设计组成框图33.2 主函数流程图43.3理发师进程流程图53.4 顾客进程流程图53.5函数调用6第四章.详细设计74.1概要设计74.1.1 数据结构74.1.2 多线程编译原理74.1.3 创建线程74.1.4 信号量84.2 头文件声明84.3函数定义94.4 变量定义94.5函数实现9第五章.调试与测试115.1调试方法115.2结果分析13第六章.设计中遇到的问题及解决

4、方法146.1出现的问题146.2解决方法14第七章.源程序清单和执行结果167.1源程序清单167.2程序执行结果19第八章.心得体会20第九章.参考文献21 2 21 操作系统课程设计第一章.系统环境1.1硬件环境内存1GB，处理器1，硬盘（SCSI）50GB，网络适配器NAT。1.2软件环境虚拟机上运行的Red Hat Linux 9系统运行环境，言语开发环境是Linux的GNU C或C+。图1.1软件环境第二章.设计目的及要求2.1设计目的学习计算机软件技术，特别是计算机操作系统技术，除了需要刻苦努力外，还需要掌握软件和操作系统的原理与设计技巧。如何学习和

5、掌握操作系统技术的原理与实际技巧呢?除了听课和读书之外，最好的方法恐怕就是在实践中练习。例如，自己设计一个小型操作系统，多使用操作系统，多阅读和分析操作源代码等。但由于条件和学时有限，在理论学习过程中没有给提供更多的实验机会。本操作系统课程设计，是提供了一个集中实验的机会。应该通过该设计加深对所学习课程的理解。进一步研究和实践操作系统中关于并发进程同步与互 斥操作的一些经典问题的解法。加深对于非对称性互斥问题有关概念的理解。观察和体验非对称性互斥问题的并发控制方法。进一步了解Linux系统中进程同步工具的用法，训练解决对该类问题的实际编程、调试和分析问题的能力。 2.2 要求按件工程的思想和方

6、法进行设计，并把它作为一个工程来做。设计的每一步都有要形成文档，“成品”出来以后要有使用说明书和测试报告。最后按院方统一要求整理出软件实习“论文”，并分别以电子和书面文档的形式上交。最后，设计的程序要编译通过，并在验收时进行演示。 本设计的内容是基于操作系统原理教材的，但同学们必须对以前的C语言程序设计和数据结构等内容进行认真的复习。 本设计是基于课程中学到的UNIX系统调用，使用操作系统环境是Red Hat Linux 9，言语开发环境是Linux的GNU C或C+。因此，要求课程设计者对Linux操作系统和GNU C或C+有一定的了解。2.3 内容（1）一个理发店接待室有n张椅子，工作室有

7、1张椅子；（2）没有顾客时，理发师睡觉；（3）第一个顾客来到时，必须将理发师唤醒；（4）顾客来时如果还有空座的话，他就坐在一个座位上等待；（5）如果顾客来时没有空座位了，他就离开，不理发了；（6）当理发师处理完所有顾客，而又没有新顾客来时，他又开始睡觉。第三章.总体设计题目中要求描述理发师和顾客的行为，因此需要进程barber ()和customer()分别描述理发师和顾客的行为。当理发师看报时顾客近来需要唤醒理发师为其理发，当有顾客时理发师为其理发，没有的时候理发师休息，因此理发师和顾客之间是同步的关系，由于每次理发师只能为一个人理发，且可供等侯的椅子有限只有n个，即理发师和椅子是临界资源，

8、所以顾客之间是互斥的关系。故引入3个信号量和一个控制变量：1)控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数，初值均为0；2)信号量customers用来记录等候理发的顾客数，并用作阻塞理发师进程，初值为0；3)信号量barbers用来记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞顾客进程，初值为0；4)信号量mutex用于互斥，初值为1；3.1程序设计组成框图实现工具及方法基本事项LINUX+C语言+VMwareworkstation理发师工作或睡觉理发师barber等待顾客理发，如果没有顾客就去睡觉，否则顾客获得理发椅使用权，过后释放理发椅使用权。创建线程创建理发师线程，初始化信号量sem_ini

9、t(&barbers,0,1);，如果创建失败，exit(EXIT_FAILURE)顾客剪发等待顾客customer理发，如果等待室有空位，进入。如果理发师在睡觉唤醒理发师，如果在工作就在等待室等候。创建线程创建顾客线程，初始化信号量sem_init(&customers,0,0);如果创建失败，exit(EXIT_FAILURE)图3.13.2 主函数流程图在程序模块中，主要实现对线程的操作，开始创建理发师进程，只有当顾客到来时再创建顾客线程来实现对顾客的操作，开始理发，当顾客全部理发完成时，就睡觉结束所有线程。图3.2主函数流程图3.3理发师进程流程图再理发师模块中，但有顾

10、客来时，理发师线程开始申请顾客信号量，顾客减一，理发师理发，完成时，释放理发师信号量。如归偶没有顾客就睡觉。图3.3理发师进程流程图3.4 顾客进程流程图在顾客模块中，当一个顾客来的时候，判断顾客人数要小于椅子数，如果没有空椅子顾客离去，如果有，顾客等待且顾客人数加1，释放顾客信号量，等待理发师理发。图3.4顾客流程图3.5函数调用 根据设计要求主函数天妖一下三个主要函数，来完成本程序，主函数main实现对两个线程的控制和执行操作。图3.5函数调用关系图第四章.详细设计4.1概要设计 4.1.1 数据结构sem_t customers;sem_t barbers;pthread_mutex_t

11、 mutex;int waiting=0;int chairCHAIRS;int cuspeople;4.1.2 多线程编译原理此次在Linux下进行多线程编程需要用到pthread_create、 pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock这三种函数4.1.3 创建线程pthread_create用来创建一个线程，原型为：int pthread_create(pthread_t *_thread, _const pthread_attr_t *_attr,void *(*_start_routine) (void *), void *_arg)第一个参数为

12、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。函数thread不需要参数时，最后一个参数设为空指针。第二个参数设为空指针时，将生成默认属性的线程。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, NULL): 线程创建函数原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void*(*start_routine)(vo

13、id*),  void *arg)。    tid : 新创建线程的线程ID;    attr: 指定新创建线程的线程属性，为NULL即为使用默认属性;    start_routine : 这是一个函数指针，用来指向线程函数;    arg : 传递给线程函数的指针;       返回值 : 0代表成功。 失败，返回的则是错误号。4.1.4 信号量（1）函数sem_init（）用来初始化一个信号量，函数原

14、型为： int sem_init (sem_t *_sem, int pshared, unsigned value); 该函数将sem 引用的无名变量初始化为value，该参数表示拥有资源的个 数，不能为负数。sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为时此信 号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。（2）sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”，它是一个“原子操作”即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的；而同时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个“2”,因

15、为有两个线程试图改变它。 当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中一个线程不在阻塞，选择机制是有线程的调度策略决定的。（3）sem_wait函数也是一个原子操作，它的作用是从信号量的值减去一个“1”，但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说，如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait()，这个函数就 会地等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。4.2 头文件声明#include <pthread.h> #include <stdio.h>#i

16、nclude <unistd.h> #include <stdlib.h>#include <semaphore.h>#include <sys/time.h>#include <math.h>4.3函数定义 void barber(void)：定义一个理发师函数void customer(int num)：定义一个顾客函数void cut_hair（void）：定义一个理发时间函数sleep（）：执行挂起一段时间，在gcc编译器中，使用的头文件因gcc版本的不同而不同，#include <unistd.h>，单位为秒，返

17、回值若进程/线程挂起到参数milliseconds所指定的时间则返回0，若有信号中断则返回剩余秒数。在Linux下，sleep中的“s”不大写pthread_mutex_lock(&mutex);/加锁pthread_mutex_unlock(&mutex);/释放锁sem_wait(&customers); 相当于wait（customers）减一sem_post(&barbers);/ 相当于signel（barber）加一sem_init(&customers,0,0);/initial of the customers is 0顾客信号量sem_

18、init(&barbers,0,1);/initial of the barbers is 1理发师信号量4.4 变量定义 1. int waiting=0; /the number of waiting chairCHAIR;/椅子数组3.int cuspeople;/顾客数组4.int i;/用于数组下标5.int ser;/椅子编号6 int seq;/用于数组下标4.5函数实现 void barber(void);void customer(int num);void cut_hair(void);pthread_mutex_t mutex;sem

19、_init(&customers,0,0);/initial ofthe customers is 0顾客信号量sem_init(&barbers,0,1);/initial of the barbers is 1理发师信号量² 理发师线程void barber(void)/理发师线程while(1)/循环 sem_wait(&customers);/wait（customers）pthread_mutex_lock(&mutex);/上互斥锁waiting=waiting-1;/等待的顾客减一个Printf("customer %d is

20、going to be served!n",chairser);/ser座位编号chairser=0;/该座位上的顾客离开等待座位到理发座位理发ser=(ser+1)%CHAIRS;/查找下一个被理发的顾客pthread_mutex_unlock(&mutex);/释放锁cut_hair();/理发函数，延迟时间sem_post(&barbers);/signal（barbers） ² 顾客线程void customer(int num)/num顾客编号变量int k;pthread_mutex_lock(&mutex);/解锁if(waiting&

21、lt;CHAIRS)/顾客进入时有空位waiting=waiting+1;/等待着的顾客加一sem_post(&customers);/signal（customers）printf("Customer %d,You should sit at the %d seat!n",num,seq);/seq座位编号chairseq=num;/第num个顾客坐在seq个座位上，座位数组的值为顾客的编号seq=(seq+1)%CHAIRS;/seq移动到下一个座位for(k=0;k<CHAIRS;k+)if(chairk!=0)/查询座椅上的顾客，如果chair为0，则

22、座位上没有顾客printf("customer %d is at seat!n",chairk);/输出座位上顾客的编号elseprintf("empty!n");printf("n");pthread_mutex_unlock(&mutex);/释放锁sem_wait(&barbers);/wait(barber)，如果成功，则执行理发师程序，失败转为等待else/顾客进入时没有座位printf("Customer %d,You should leave.There are so many people!n

23、",num);第五章.调试与测试5.1调试方法在电脑上编写代码，将代码拷贝到Linux系统虚拟机上。然后在虚拟机上使用vi编译器对C语言代码进行编译，存放C语言代码的文件名为jiami.c。编译语句为gcc lpthread -o pan pan.c。执行代码语句为./pan。看文件的状态情况。最后完成调试和测试，程序成功执行，得到正确的结果。测试结果的分析与讨论：1. 对文件pan.c进行查看。图5.12. 编译并执行程序pan.c。图5.23. 得到测试结果。图5.3图5.4图5.55.2结果分析程序成功运行，对文件的操作如图5.35.6所示，成功对理发师问题进行解决。在调试过程

24、中出现一些问题，但是查阅资料就解决了，像编译语句为gcc lpthread -o pan pan.c,自己第一次输编译语句为gcc -o pan pan.c就出现错误，因为在线程里是不对的，找不到线程的头文件。² 测试过程中遇到的主要问题编译语句为gcc lpthread -o pan pan.c,自己第一次输编译语句为gcc -o pan pan.c就出现错误，因为在线程里是不对的，找不到线程的头文件。会出现输入错误。在Linux虚拟机中vi编译器编译时会出现错误，像res=pthread_create(&barber_t,NULL, barber,NULL);提示找不到b

25、arber的指针，虽然可以运行结果，但还是不对，经过上网查看资料解决了这个问题。² 解决措施按部就班地执行程序，按出错提示寻找错误的地方，问同学和老师、上网查看结果分析，百度了好多重要的东西，还有程序的完善，在这次课程设计中，程序也是一遍一遍地被修改。终于做好了这次的课程设计。耐心、细心和发现问题的能力是做程序的根本。第六章.设计中遇到的问题及解决方法6.1出现的问题² 问题一图6.1² 问题二图6.36.2解决方法 在这个编程中，虽然源代码算没错，不过在运行时就有问题，在调试中前后函数的功能要对应，要不然就不能正确运行，还有一些基本的符合不符合规范，注意英文字母

26、的书写，例如在LNIUX中sleep（）中s要小写，注意书写代码的规范，gcc -o pan pan.c在执行的时候就会出错如图6.2，因为在线程创建中需要pthread_create，所以要用lpthread来找到#include<pthread >的头文件才可以执行。还有像图6.1找不到那几种指针，经上网查阅后修改正确了。所以细心观察程序的逻辑结构，认真分析程序的流程。同组的人员共同讨论，集思广益，规范代码，完善功能。图6.4图6.5第七章.源程序清单和执行结果7.1源程序清单#include <pthread.h> 多线程编程头文件#include <std

27、io.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <semaphore.h>#include <sys/time.h>#include <math.h>#define CHAIRS 5 椅子的数量#define people 20sem_t customers;sem_t barbers;pthread_mutex_t mutex; 互斥锁的声明int waiting=0;int i;int seq=0;int ser=0;int chairCHAIRS;int cuspeo

28、ple;void barber(void);void customer(int num);void cut_hair(void);int main() int res; pthread_t barber_t; pthread_t customer_t; sem_init(&customers,0,0); 初始化顾客信号量 sem_init(&barbers,0,1); pthread_mutex_init(&mutex,NULL);/initial of the mutex is 0 for (i=0;i<CHAIRS;i+) chairi=0; for (i=0

29、;i<people;i+) cusi=i+1; res=pthread_create(&barber_t,NULL,(void*)barber,NULL); 创建理发师线程 if(res!=0) printf("Barber thread creation failed!n"); exit(EXIT_FAILURE); else printf("I'm a barber! You're Welcome!n"); for (i=1;i<people+1;i+) printf("I'm %d custom

30、er! I am coming!n",i); res=pthread_create(&customer_t,NULL, (void*)customer, (void*)cusi-1); 创建顾客线程 if(res!=0) printf("costomer %d thread creation failed!n",i); exit(EXIT_FAILURE); if(i<people) sleep(rand()%4); 产生03的随机数挂起 else sleep(2); void barber(void) while(1) sem_wait(&

31、customers); wait操作 pthread_mutex_lock(&mutex); 加锁 waiting=waiting-1; printf("customer %d is going to be served!n",chairser); chairser=0; ser=(ser+1)%CHAIRS; pthread_mutex_unlock(&mutex); signal操作释放锁 cut_hair(); sem_post(&barbers); 通知已进来的,在等理发师的顾客进程 void cut_hair(void) printf(&q

32、uot;Barber:I am cutting the customer's hair .n"); sleep(3); 挂起3秒 printf("Barber:Done!n"); void customer(int num) int k; pthread_mutex_lock(&mutex); 上互斥锁 if(waiting<CHAIRS) waiting=waiting+1; sem_post(&customers); 释放（barber） printf("Customer %d,You should sit at the

33、 %d seat!n",num,seq); chairseq=num; seq=(seq+1)%CHAIRS; for(k=0;k<CHAIRS;k+) if(chairk!=0) printf("customer %d is at seat!n",chairk); else printf("empty!n"); printf("n"); pthread_mutex_unlock(&mutex); 释放锁 sem_wait(&barbers); 上锁 else printf("Customer %d,You should leave.There are so many people!n",num); for(k=0;k<CHAIRS;k+) if(chairk!=0) printf("customer %d is at se