操作系统实验五

操作系统实验五操作系统实 验 报 告课程名称 操作系统实验实验项目名称 操作系统实验报告物理存储器与进程逻辑地址空间的管理学号 2011 班级姓名 型钢 专业学生所在学院 指导教师实验室名称地点哈尔滨工程大学一、实验概述实验名称进程的同步实验目的1.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。2.调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。3.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。实验类型验证二、实验环境OSLab三、实验过程3.1 准备实验按照下面的步骤准备本次实验：启动OSLab。新建一个EOSKernel项目。生成EOSKernel项目，从而在该项目文件夹中生成SDK文件夹。新建一个EOS应用程序项目。使用在第3步生成的SDK文件夹覆盖EOS应用程序项目文件夹中的SDK文件夹。03.2使用EOS的信号量解决生产者－消费者问题按照下面的步骤查看生产者－消费者同步执行的过程：使用pc.c文件中的源代码，替换之前创建的EOS应用程序项目中EOSApp.c文件内的源代码。按F7生成修改后的EOS应用程序项目。按F5启动调试。OSLab会首先弹出一个调试异常对话框。在调试异常对话框中选择“否”，继续执行。立即激活虚拟机窗口查看生产者－消费者同步执行的过程。1待应用程序执行完毕后，结束此次调试。3.3 调试EOS信号量的工作过程 创建信号量按照下面的步骤调试信号量创建的过程：按F5启动调试EOS应用项目。OSLab会首先弹出一个调试异常对话框。在调试异常对话框中选择"是"，调试会中断。在main函数中创建Empty信号量的代码行（第77行）2EmptySemaphoreHandle=CreateSemaphore(BUFFER_SIZE,BUFFER_SIZE,NULL);添加一个断点。按F5继续调试，到此断点处中断。按F11调试进入CreateSemaphore函数。可以看到此API函数只是调用了EOS内核中的PsCreateSemaphoreObject函数来创建信号量对象。6.按F11调试进入semaphore.c文件中的PsCreateSemaphoreObject函数。在此函数中，会在EOS内核管理的内存中创建一个信号量对象（分配一块内存），而初始化信号量对象中各个成员的操作是在PsInitializeSemaphore函数中完成的。7.在semaphore.c文件的顶部查找到PsInitializeSemaphore函数的定义（第19行），在此函数的第一行（第39行）代码处添加一个断3点。按F5继续调试，到断点处中断。观察PsInitializeSemaphore函数中用来初始化信号量结构体成员的值，应该和传入CreateSemaphore函数的参数值是一致的。按F10单步调试PsInitializeSemaphore函数执行的过程，查看信号量结构体被初始化的过程。打开"调用堆栈"窗口，查看函数的调用层次。45 等待、释放信号量 等待信号量（不阻塞）生产者和消费者刚开始执行时， 用来放产品的缓冲区都是空的，所以生产者在第一次调用WaitForSingleObject 函数等待Empty信号量时，应该不需要阻塞就可以立即返回。 按照下面的步骤调试：删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。在eosapp.c文件的Producer函数中，等待Empty信号量的代码行6144)WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,INFINITE); 添加一个断点。按F5继续调试，到断点处中断。WaitForSingleObject函数最终会调用内核中的PsWaitForSemaphore函数完成等待操作。所以，在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的第一行（第68行）添加一个断点。按F5继续调试，到断点处中断。按F10单步调试，直到完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作。可以看到此次执行并没有进行等待，只是将Empty信号量的计数减少了1（由10变为了9）就返回了。7如图所示,empty的初始值为10。在完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作后empty的值变成了9。 释放信号量（不唤醒）删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。在eosapp.c文件的Producer函数中，释放Full信号量的代码行（第152行）ReleaseSemaphore(FullSemaphoreHandle,1,NULL);添加一个断点。按F5继续调试，到断点处中断。8按F11调试进入ReleaseSemaphore函数。继续按F11调试进入PsReleaseSemaphoreObject函数。先使用F10单步调试，当黄色箭头指向第269行时使用F11单步调试，进入PsReleaseSemaphore函数。按F10单步调试，直到完成PsReleaseSemaphore函数中的所有操作。可以看到此次执行没有唤醒其它线程（因为此时没有线程在Full信号量上被阻塞），只是将Full信号量的计数增加了1（由0变为了1）。full信号量初始值为09full 信号量由0变为1生产者线程通过等待Empty信号量使空缓冲区数量减少了1，通过释放Full信号量使满缓冲区数10量增加了1，这样就表示生产者线程生产了一个产品并占用了一个缓冲区。 等待信号量（阻塞）由于开始时生产者线程生产产品的速度较快，而消费者线程消费产品的速度较慢，所以当缓冲池中所有的缓冲区都被产品占用时，生产者在生产新的产品时就会被阻塞，下面调试这种情况。结束之前的调试。删除所有的断点。按F5重新启动调试。OSLab会首先弹出一个调试异常对话框。在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。在semaphore.c文件中的PsWaitForSemaphore函数的PspWait(&Semaphore->WaitListHead,INFINITE);代码行（第78行）添加一个断点。11按F5继续调试，并立即激活虚拟机窗口查看输出。开始时生产者、消费者都不会被信号量阻塞，同步执行一段时间后才在断点处中断。中断后，查看“调用堆栈”窗口，有Producer函数对应的堆栈帧，说明此次调用是从生产者线程函数进入的。在“调用堆栈”窗口中双击Producer函数所在的堆栈帧，绿色箭头指向等待Empty信号量的代码行，查看Producer函数中变量i的值为14，表示生产者线程正在尝试生产14号产品。在“调用堆栈”窗口中双击PsWaitForSemaphore函数的堆栈帧，查看Empty12信号量计数（Semaphore->Count）的值为-1，所以会调用PspWait函数将生产者线程放入Empty信号量的等待队列中进行等待（让出CPU）。激活虚拟机窗口查看输出的结果。生产了从0到13的14个产品，但是只消费了从0到3的4个产品，所以缓冲池中的10个缓冲区就都被占用了，这与之前调试的结果是一致的。13 释放信号量（唤醒）只有当消费者线程从缓冲池中消费了一个产品，从而产生一个空缓冲区后，生产者线程才会被唤醒并继续生产14号产品。可以按照下面的步骤调试：删除所有断点。在eosapp.c文件的Consumer函数中，释放Empty信号量的代码行（第180）ReleaseSemaphore(EmptySemaphoreHandle,1,NULL);添加一个断点。14按F5继续调试，到断点处中断。查看Consumer函数中变量i的值为4，说明已经消费了4号产品。按照中的方法使用F10和F11调试进入PsReleaseSemaphore函数。查看PsReleaseSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore->Count）的值为-1，和生产者线程被阻塞时的值是一致的。按F10单步调试PsReleaseSemaphore函数，直到在代码行（第132行）15PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead,STATUS_SUCCESS);处中断。此时Empty信号量计数的值已经由-1增加为了0，需要调用PspWakeThread函数唤醒阻塞在Empty信号量等待队列中的生产者线程（放入就绪队列中），然后调用PspSchedule函数执行调度，这样生产者线程就得以继续执行。按照下面的步骤验证生产者线程被唤醒后，是从之前被阻塞时的状态继续执行的：1.在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的最后一行（第83行）代码处添加一个断点。按F5继续调试，在断点处中断。查看PsWaitForSemaphore函数中Empty信号16量计数（Semaphore->Count）的值为0，和生产者线程被唤醒时的值是一致的。在“调用堆栈”窗口中可以看到是由Producer函数进入的。激活Producer函数的堆栈帧，查看Producer函数中变量i的值为14，表明之前被阻塞的、正在尝试生产14号产品的生产者线程已经从PspWait函数返回并继续执行了。结束此次调试。3.4 修改EOS的信号量算法修改处代码运行成功17 测试方法修改完毕后，可以按照下面的方法进行测试：使用修改完毕的EOSKernel项目生成完全版本的SDK文件夹，并覆盖之前的生产者－消费者应用程序项目的SDK文件夹。按F5调试执行原有的生产者－消费者应用程序项目，结果必须仍然与图13-2一致。如果有错误，可以调试内核代码来查找错误，然后在内核项目中修改，并重复步骤1。将Producer函数中等待Empty信号量的代码行WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,18INFINITE);替换为while(WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,300)){printf("Producerwaitforemptysemaphoretimeout\n");}将Consumer函数中等待Full信号量的代码行WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,INFINITE);替换为while(WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,300)){printf("Consumerwaitforfullsemaphoretimeout\n");}启动调试新的生产者－消费者项目，查看在虚拟机中输出的结果，验证信号量超时等待功能是否能够正常执行。如果有错误，可以调试内核代码来查找错误，然后在内核项目中修改，并重复步骤1。如果超时等待功能已经能够正常执行，可以考虑将消费者线程修改为一次消费两个产品，来测试ReleaseCount参数是否能够正常使用。使用实验文件夹中NewConsumer.c文件中的Consumer19函数替换原有的Consumer函数。四、思考题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？可以参考本书第2章中的第2.6节。20答：等待和释放操作都是原语操作,在执行等待信号量和释放信号量的时候，不能被打断，所以cpu是不允许响应外部中断的，如果此时cpu响应了外部中断，中间的某些共用的变量会产生不可预料的变化，无法正常完正常的操作。2.绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。(1)PsWaitForSemaphore21开始INFINITE!=MillisecondsNoASSERT(KeGetIntNesting()==0);IntState=KeEnableInterrupts(FALSE);Semphore->Count--;Semphore->Count<0YesPspWait(&Semphore->WaitListHead,INFINITE);KeEnableInterrupts(IntState);returnSTATUS_SUCCESS;结束(2)PsReleaseSemaphore

YesASSERT(FALSE);returnSTATUS_INVALID_PARAMETER;22开始ReleaseCount!=1 YesNoIntState=KeEnableInterrupts(FALSE);Semaphore->Count+ReleaseCount>Semaphore->MaximumCountYesASSERT(FALSE);NoreturnSTATUS_INVALID_PNULL!=PreviousCountYesARAMETER;Status=STATUS_S*PreviousCount=Semaphore->Count;EMAPHORE_LIMIT_EXCNoEEDEDSemaphore->Count++;YesSemaphore->Count<=0YesNoPspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead,STATUS_SUCCESS);PspSchedule();Status=STATUS_SUCCESSPspSched