实验报告
1、实验名称
进程间的互斥和同步
2、小组成员：姓名+学号
3、实验目的
Linux命名信号量实现进程间的互斥和同步
4、实验背景知识
进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。比如说进程A需要从缓冲区读取进程B产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。
进程互斥是进程之间的间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。比如进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。
5、实验步骤演示
大概步骤：
先进行单次同步，把信号量先初始化为0，创建一个命名信号量，设置信号捕捉处理代码，安装捕捉信号；其次使用信号量进行同步和互斥的操作。
详细步骤：
1.创建一个命名信号量，sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V);
2.创建子进程，pid = fork();
3.V操作，sem_post(sem);
4.P操作，sem_wait(sem);
5.等待子进程结束，wait(&status);
6.删掉在系统创建的信号量，sem_unlink(SEM_NAME);
7.彻底销毁打开的信号量，sem_close(sem);
8.信号捕捉处理，static void myhandler(void);
9.迭代同步,两个信号量，开始时一个为1，一个为0，一个进程执行完换另一个执行；
10.安装捕捉信号，signal(SIGINT,(void *)myhandler );
11.创建一个命名信号量：sem1 = sem_open(SEM_NAME1, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 1);sem2 = sem_open(SEM_NAME2, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 0);
12.创建子进程，pid = fork();
13.if(0 == pid)
P操作：sem_wait(sem1);
V操作：sem_post(sem2);
14.if(0 < pid)
P操作：sem_wait(sem2);
V操作：sem_post(sem1);
15.static void mysem(char *str)
{
int i = 0;
//P操作
sem_wait(sem);
while('\0' != str[i])
{
printf("%c\n", str[i++]);
sleep(1);
}
//V操作
sem_post(sem);
}
进程排斥,在临界区设置PV操作
16.创建一个命名信号量，sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V);
17.if(0 == pid)
{
mysem("abcd");
}
18.if(0 < pid)
{
mysem("1234");
//等待子进程结束
wait(&status);
//删掉在系统创建的信号量
sem_unlink(SEM_NAME);
//彻底销毁打开的信号量
sem_close(sem);
}
说明：
命名信号量不带内存共享,编译时要带库文件-lpthread或-lrt
int sem_wait(sem_t *sem); //P操作,若是信号量大于零则减一,否则阻塞在该函数位置等待.
int sem_post(sem_t *sem); //V操作,信号量加一
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);//打开信号量,flag参数与打开普通文件的标记一样
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,mode_t mode, unsigned int value); //创建并打开信号量,value参数指的是信号量的初始值
int sem_unlink(const char *name);//删除系统创建的信号量
int sem_close(sem_t *sem);//关闭彻底销毁信号量
6、实验源码
#include
#include
#include
#include
#define SEM_NAME "mysem"
#define OPEN_FLAG O_RDWR|O_CREAT
#define OPEN_MODE 00777
#define INIT_V 0
static sem_t *sem = NULL;
static void mysem(char *str)
{
int i = 0;
while('\0' != str[i])
{
printf("%c\n", str[i++]);
sleep(1);
}
}
/*单次同步, 把信号量先初始化为0*/
int main(void)
{
pid_t pid = -1;
int ret = -1;
int status = -1;
//创建一个命名信号量
sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V);
//创建子进程
pid = fork();
if(-1 == (ret = pid))
{
perror("fork failed: ");
goto _OUT;
}
if(0 == pid)
{
mysem("abcd");
//V操作
sem_post(sem);
}
if(0 < pid)
{
//P操作
sem_wait(sem);
mysem("1234");
//等待子进程结束
wait(&status);
//删掉在系统创建的信号量
sem_unlink(SEM_NAME);
//彻底销毁打开的信号量
sem_close(sem);
}
_OUT:
return ret;
}
#include
#include
#include
#include
#include
#define SEM_NAME1 "mysem1"
#define SEM_NAME2 "mysem2"
#define OPEN_FLAG O_RDWR|O_CREAT
#define OPEN_MODE 00777
static sem_t *sem1 = NULL;
static sem_t *sem2 = NULL;
//临界区
static void mysem(char *str)
{
int i = 0;
while('\0' != str[i])
{
printf("%c\n", str[i++]);
sleep(1);
}
}
//信号捕捉处理
static void myhandler(void)
{
//删掉在系统创建的信号量
sem_unlink(SEM_NAME1);
sem_unlink(SEM_NAME2);
//彻底销毁打开的信号量
sem_close(sem1);
sem_close(sem2);
}
/*迭代同步,两个信号量，开始时一个为1，一个为0，一个进程执行完换另一个进程运行*/
int main(void)
{
pid_t pid = -1;
int ret = -1;
int status = -1;
//安装捕捉信号
signal(SIGINT,(void *)myhandler );
//创建一个命名信号量
sem1 = sem_open(SEM_NAME1, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 1);
sem2 = sem_open(SEM_NAME2, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 0);
//创建子进程
pid = fork();
if(-1 == (ret = pid))
{
perror("fork failed: ");
goto _OUT;
}
if(0 == pid)
{
while(1)
{
//P操作
sem_wait(sem1);
mysem("abcd");
//V操作
sem_post(sem2);
}
}
if(0 < pid)
{
while(1)
{
//P操作
sem_wait(sem2);
mysem("1234");
//V操作
sem_post(sem1);
}
//等待子进程结束
wait(&status);
}
_OUT:
return ret;
}
#include
#include
#include
#include
#define SEM_NAME "mysem"
#define OPEN_FLAG O_RDWR|O_CREAT
#define OPEN_MODE 00777
#define INIT_V 1
static sem_t *sem = NULL;
static void mysem(char *str)
{
int i = 0;
//P操作
sem_wait(sem);
while('\0' != str[i])
{
printf("%c\n", str[i++]);
sleep(1);
}
//V操作
sem_post(sem);
}
/*进程排斥,在临界区设置PV操作*/
int main(void)
{
pid_t pid = -1;
int ret = -1;
int status = -1;
//创建一个命名信号量
sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V);
//创建子进程
pid = fork();
if(-1 == (ret = pid))
{
perror("fork failed: ");
goto _OUT;
}
if(0 == pid)
{
mysem("abcd");
}
if(0 < pid)
{
mysem("1234");
//等待子进程结束
wait(&status);
//删掉在系统创建的信号量
sem_unlink(SEM_NAME);
//彻底销毁打开的信号量
sem_close(sem);
}
_OUT:
return ret;
}
学习中心： 专业： 年级：年春/秋季 学号： 学生： 题目：进程同步与互斥生产者-消费者问题 1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？ 转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。在这个学期中，通过老师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程 1.1设计思路 在这次设计中定义的多个缓冲区不是环形循环的，并且不需要按序访问。其中生产者可以把产品放到某一个空缓冲区中，消费者只能消费被指定生产者生产的产品。本设计在测试用例文件中指定了所有生产和消费的需求，并规定当共享缓冲区的数据满足了所有有关它的消费需求后，此共享才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。
本设计在为生产者分配缓冲区时各生产者之间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。而消费者之间只有在对同一个产品进行消费时才需要互斥，它们在消费过程结束时需要判断该消费者对象是否已经消费完毕并释放缓冲区的空间。 1.2程序流程图 1.3基本内容 在设计程序时主要有三个主体部分、三个辅助函数和一个数据结构。 其中主体部分为一个主函数main（），用于初始化缓冲区和各个同步对象，并完成线程信息的读入，最后根据该组的线程记录启动模拟线程，并等待所有线程的运 Y
行结束后退出程序； 生产者函数Produce（）和消费者函数Consume（），生产者和消费者函数运行于线程中完成对缓冲区的读、写动作，根据此处生产消费的模型的特点，生产者和消费者之间通过使用同步对象实现了生产和消费的同步与互斥，是本实验的核心所在。 另外三个辅助性函数被生产者和消费者函数调用，是上述生产和消费函数中对缓冲区进行的一系列处理。 3)在实现本程序的消费生产模型时，具体的通过如下同步对象实现互斥： ①设一个互斥量h_mutex，以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个位置时进行互斥。 ②每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量 ③数组实现，该组信号量用于相应的产品已产生。同时用一个表示空缓冲区
实验报告 1、实验名称 进程间的互斥和同步 2、小组成员：姓名+学号 3、实验目的 Linux命名信号量实现进程间的互斥和同步 4、实验背景知识 进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。比如说进程A需要从缓冲区读取进程B产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。 进程互斥是进程之间的间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。比如进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。 5、实验步骤演示 大概步骤： 先进行单次同步，把信号量先初始化为0，创建一个命名信号量，设置信号捕捉处理代码，安装捕捉信号；其次使用信号量进行同步和互斥的操作。 详细步骤： 1.创建一个命名信号量，sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V); 2.创建子进程，pid = fork(); 3.V操作，sem_post(sem); 4.P操作，sem_wait(sem); 5.等待子进程结束，wait(&status); 6.删掉在系统创建的信号量，sem_unlink(SEM_NAME); 7.彻底销毁打开的信号量，sem_close(sem);
8.信号捕捉处理，static void myhandler(void); 9.迭代同步,两个信号量，开始时一个为1，一个为0，一个进程执行完换另一个执行； 10.安装捕捉信号，signal(SIGINT,(void *)myhandler ); 11.创建一个命名信号量：sem1 = sem_open(SEM_NAME1, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 1);sem2 = sem_open(SEM_NAME2, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 0); 12.创建子进程，pid = fork(); 13.if(0 == pid) P操作：sem_wait(sem1); V操作：sem_post(sem2); 14.if(0 < pid) P操作：sem_wait(sem2); V操作：sem_post(sem1); 15.static void mysem(char *str) { int i = 0; //P操作 sem_wait(sem); while('\0' != str[i]) { printf("%c\n", str[i++]); sleep(1); } //V操作 sem_post(sem); } 进程排斥,在临界区设置PV操作 16.创建一个命名信号量，sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V); 17.if(0 == pid) { mysem("abcd"); } 18.if(0 < pid) { mysem("1234"); //等待子进程结束 wait(&status); //删掉在系统创建的信号量 sem_unlink(SEM_NAME); //彻底销毁打开的信号量 sem_close(sem); } 说明： 命名信号量不带内存共享,编译时要带库文件-lpthread或-lrt
第三章 一．选择题(50题) 1.以下_B__操作系统中的技术是用来解决进程同步的。 A.管道 B.管程 C.通道 2.以下_B__不是操作系统的进程通信手段。 A.管道 B.原语 C.套接字 D.文件映射 3.如果有3个进程共享同一程序段，而且每次最多允许两个进程进入该程序段，则信号量的初值应设置为_B__。 4.设有4个进程共享一个资源，如果每次只允许一个进程使用该资源，则用P、V操作管理时信号量S的可能取值是_C__。 ,2,1,0，-1 ,1,0，-1，-2 C. 1,0，-1，-2，-3 ,3，2,1,0 5.下面有关进程的描述，是正确的__A__。 A.进程执行的相对速度不能由进程自己来控制 B.进程利用信号量的P、V 操作可以交换大量的信息 C.并发进程在访问共享资源时，不可能出现与时间有关的错误 、V操作不是原语操作 6.信号灯可以用来实现进程之间的_B__。 A.调度 B.同步与互斥 C.同步 D.互斥 7.对于两个并发进程都想进入临界区，设互斥信号量为S，若某时S=0，表示_B__。 A.没有进程进入临界区 B.有1个进程进入了临界区 C. 有2个进程进入了临界区 D. 有1个进程进入了临界区并且另一个进程正等待进入 8. 信箱通信是一种_B__方式 A.直接通信 B.间接通信 C.低级通信 D.信号量 9.以下关于临界区的说法，是正确的_C__。
A.对于临界区，最重要的是判断哪个进程先进入 B.若进程A已进入临界区，而进程B的优先级高于进程A，则进程B可以 打断进程A而自己进入临界区 C. 信号量的初值非负，在其上只能做PV操作 D.两个互斥进程在临界区内，对共享变量的操作是相同的 10. 并发是指_C__。 A.可平行执行的进程 B.可先后执行的进程 C.可同时执行的进程 D.不可中断的进程 11. 临界区是_C__。 A.一个缓冲区 B.一段数据区 C.一段程序 D.栈 12．进程在处理机上执行，它们的关系是_C__。 A.进程之间无关，系统是封闭的 B.进程之间相互依赖相互制约 C.进程之间可能有关，也可能无关 D.以上都不对 13. 在消息缓冲通信中，消息队列是一种__A__资源。 A.临界 B.共享 C.永久 D.可剥夺 14. 以下关于P、V操作的描述正确的是__D_。 A.机器指令 B. 系统调用 C.高级通信原语 D.低级通信原语 15.当对信号量进行V源语操作之后，_C__。 A.当S＜0，进程继续执行 B.当S＞0，要唤醒一个就绪进程 C. 当S＜＝ 0，要唤醒一个阻塞进程 D. 当S＜＝0，要唤醒一个就绪 16.对临界区的正确论述是__D_。 A.临界区是指进程中用于实现进程互斥的那段代码 B. 临界区是指进程中用于实现进程同步的那段代码 C. 临界区是指进程中用于实现进程通信的那段代码 D. 临界区是指进程中访问临界资源的那段代码 17. __A__不是进程之间的通信方式。 A.过程调用 B.消息传递 C.共享存储器 D.信箱通信 18. 同步是指进程之间逻辑上的__A__关系。
实验四：进程的管道通信 实验题目 进程的管道通信 实验目的 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。学习进程创建的过程，进一步认识进程并发执行的实质。分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。学习解决进程同步的方法。掌握Linux系统中进程间通过管道通信的具体实现 实验内容 使用系统调用pipe()建立一条管道，系统调用fork()分别创建两个子进程，它们分别向管道写一句话，如： Child process1 is sending a message! Child process2 is sending a message! 父进程分别从管道读出来自两个子进程的信息，显示在屏幕上。 当然，仅仅通过屏幕上输出这两句话还不能说明实现了进程的管道通信，为了能够更好的证明和显示出进程的同步互斥和通信，在其中要加入必要的跟踪条件，如一定的输出语句等，来反映程序的并发执行情况 实验要求 这是一个设计型实验，要求自行、独立编制程序。两个子进程要并发执行。实现管道的互斥使用。当一个子进程正在对管道进行写操
作时，另一个欲写入管道的子进程必须等待。使用系统调用lockf(fd[1],1,0)实现对管道的加锁操作，用lockf(fd[1],0,0)解除对管道的锁定。实现父子进程的同步，当父进程试图从一空管道中读取数据时，便进入等待状态，直到子进程将数据写入管道返回后，才将其唤醒。 为了清楚的反应进程的同步，在子进程完成相应的操作后，调用sleep()函数睡眠一段时间（程序中定为3s）。父进程先执行wait()函数，当有子进程执行完毕后，会得到子进程的返回结果并清理子进程。若子进程没执行完，父进程一直执行wait()进行监听，知道有一个子进程执行完成为僵尸进程。 程序中用到的系统调用 因为程序时在linux系统上进行编写的，所以其中要利用到相关的linux提供的系统调用。 所用到的系统调用包含在如下头文件中。 #include
进程间互斥与同步 实验内容： 编写算法，实现进程间对临界资源的互斥访问以及进程间的同步关系。 实验要求： 1、要求进程互斥使用文本文件； 2、假定文本文件txt1最大可写入30个字符； 3、写满后复制进程将文本文件的内容复制到另一个文本文件txt2中（无长度限制）。 4、复制进程复制完毕写入进程可再重新写入，重复执行3，4，直到给出停止命令。 5、实现进程间的同步和互斥。 代码： #include
sem_b.sem_num=0; sem_b.sem_op=1; sem_b.sem_flg=SEM_UNDO; if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1) { cout<<"error"< 进程同步与互斥 进程的PV操作 在操作系统中，P、V操作是进程管理中的难点。这是1968年荷兰人Dijkstra 给出的一种解决并发进程间互斥和同步关系的通用方法。 1. P、V操作的意义 定义了信号量及其上的P操作和V操作，来实现并发进程间的同步和互斥，甚至可以用来管理资源的分配。P、V操作因交换的信息量少，属于进程的低级通信。 2. 什么是信号量？ 信号量（semaphore）是由一个值和一个指针构成的数据结构。值为整型变 量，表示信息量的值；指针指向进程控制块（PCB）队列的队头，表示等待该信号量的下一个进程。如下图所示。 信号量的一般结构及PCB队列 信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的初值不能为负，且其值只能由P、V操作来改变。 3. P、V操作的含义 P、V操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量S进行操作，具体定义如下： P（S）： ①将信号量S的值减1，即S=S-1； ②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程状态置为阻塞状态，进程PCB 排入信号量PCB队列末尾，放弃CPU，等待V操作的执行。 V（S）： ①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②如果S≤0，释放信号量队列中第一个PCB所对应的进程，将进程状态由阻塞态改为就绪态。执行V操作的进程继续执行。 一般来说，信号量S≥0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S≤0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个阻塞状态的进程，使之成为就绪状态。 4. 利用信号量和P、V操作实现进程互斥 一般地，n个进程利用信号量和P、V操作实现进程互斥的一般模型如下： 进程P 1进程P 2 ……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S是互斥信号量，初值为1。 使用P、V操作实现进程互斥时应该注意的问题是： （1）每个程序中，用户实现互斥的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P、V操作的成对性。 （2）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。 （3）互斥信号量的初值一般为1。 由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem) 实验进程同步与互斥 一、实验目的 1．掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。 2．学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。 3．了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。 二、实验内容及要求 1．实验内容 以生产者/消费者模型为依据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。 2．实验要求 ●学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则； ●学习了解Windows同步对象及其特性； ●熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法； ●设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； ●提交实验报告。 三、相关知识介绍 1．同步对象 同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体，包括信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界区(Critical Section)和事件(Events)等。本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。 同步对象的使用步骤： ●创建/初始化同步对象。 ●请求同步对象，进入临界区(互斥量上锁)。 ●释放同步对象(互斥量解锁)。 这些对象在一个线程中创建，在其他线程中都可以使用，实现同步与互斥。 2．相关API的功能及使用 我们利用Windows SDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有Windows SDK的所有工具和定义。要使用这些API，需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API调用还需要包含其他头文件)。 下面给出的是本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍。 (1) CreateThread ●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程 ●格式 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, 实验一进程同步与互斥 一、实验目的 1．掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。 2．学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。 3．了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。 二、实验内容及要求 1．实验内容 以生产者/消费者模型为依据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在该进程 中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。 2．实验要求 , 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则； , 学习了解Windows同步对象及其特性； , 熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法； , 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； , 提交实验报告。 三、相关知识介绍 1．同步对象 同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体，包括信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界区(Critical Section)和事件(Events)等。本实验中使用到信号量、互斥量和临 界区三个同步对象。 同步对象的使用步骤： , 创建/初始化同步对象。 , 请求同步对象，进入临界区(互斥量上锁)。 , 释放同步对象(互斥量解锁)。 这些对象在一个线程中创建，在其他线程中都可以使用，实现同步与互斥。 2．相关API的功能及使用 我们利用Windows SDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有Windows SDK的所有工具和定义。要使用这些API，需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API调用还需要包含其他头文件)。 下面给出的是本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍。 (1) CreateThread , 功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程 , 格式 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParamiter, DWORD dwCreationFlags, Lpdword lpThread ); , 参数说明 lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。 实验二 进程（线程）的同步与互斥 一、实验目的 1． 掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。 2． 学习使用Windows 中基本的同步对象，掌握相关API 的使用方法。 3． 了解Windows 中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。 二、实验内容 1． 实验内容 以生产者/消费者模型为依据，在Windows 环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n 个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。 2． 实验要求 ● 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则； ● 学习了解Windows 同步对象及其特性； ● 熟悉实验环境，掌握相关API 的使用方法； ● 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； 三、相关API 的功能及使用 我们利用Windows SDK 提供的API 编程实现实验题目要求，而VC 中包含有Windows SDK 的所有工具和定义。要使用这些API ，需要包含堆这些函数进行说明的SDK 头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API 调用还需要包含其他头文件)。 下面给出的是本实验使用到的API 的功能和使用方法简单介绍。 (1) CreateThread ● 功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程 ● 格式 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParamiter, Buffer(共享内存) 生产者 消费者 学习中心：专业： 年级：年春/秋季 学号： 学生： 题目：进程同步与互斥生产者-消费者问题1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？ 转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。在这个学期中，通过老师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程和实用性。通过这一学期的学习，我才知道操作系统(Operating System，简称OS)是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。操作系统这门课程并不是教你如何使用操作系统的，而是讲操作。总而言之，操作系统的一些原理在生活中都可以找到相应的例子。结合生活中的例子，可以化抽象为具体，我们会更加清楚地了解到其原理与操作过程。我觉得通过我们的不断学习，结合生活中的实际问题，我们就会把操作系统学得更好。总体来说，通过这次的对操作系统的总结，有收获也有遗憾、不足的地方，但我想，我已经迈入了操作系统的大门，只要我再认真努力的去学习，去提高，肯定能让自己的知识能力更上一层楼. 1设计思路及主要代码分析 1.1设计思路 在这次设计中定义的多个缓冲区不是环形循环的，并且不需要按序访问。其中生产者可以把产品放到某一个空缓冲区中，消费者只能 消费被指定生产者生产的产品。本设计在测试用例文件中指定了所有生产和消费的需求，并规定当共享缓冲区的数据满足了所有有关它的消费需求后，此共享才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。 本设计在为生产者分配缓冲区时各生产者之间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。而消费者之间只有在对同一个产品进行消费时才需要互斥，它们在消费过程结束时需要判断该消费者对象是否已经消费完毕并释放缓冲区的空间。 1.2程序流程图 主函数 初始化缓冲区，消费请求队列及部分同步对象 提取线程信息 完成线程相关同步对象的初始化 等待所有线程结束 创建线程模拟生产和消费 程序结束 消费者 有消费请求？ 此请求可满足？ 确定产品位置 此产品正被消费？ 进入临界区（对同一产品进 行请求的消费者之间互斥） 消费产品、并判断是否应该 释放产品所占缓冲区 结束消费进程 生产者 存在空缓冲区？ 另一生产者正在生产？ 进入临界区 （所有生产者之间互斥） 从空缓冲区中为本生产者的产品分配一个空间 退出临界区 在该缓冲区放入产品 通过信号量通知等待本产品的消费者 结束生产进程 退出临界区 Y Y Y N N N N Y Y N 利用信号量机制解决进程同步和互斥问题 在讨论如何用信号量机制解决这个问题之前，我们应该先了解进程同步和互斥间的一些概念。 首先是进程间的两种关系：同步和互斥。所谓同步就是把异步环境下的一组并发进程，因直接制约而互相发送消息二进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程。互斥是指不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区。其中直接制约是指一组在异步环境下的并发进程，各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各进程的执行速度的过程。由于共享某一共有资源而引起的在临界区内不允许并发进程交叉执行的现象，由共享共有资源而造成的对并发进程执行速度的间接制约简称为间接制约。受间接制约的类中各程序段在执行顺序上是任意的。我们将不允许多个并发进程交叉执行的一段程序称为临界区。临界区是由属于不同并发进程的程序段共享公用数据或公用数据变量而引起的。 进程互斥是进程之间发生的一种间接性作用，由两个或两个以上的进程需要同时访问某个共享变量，因竞争共有资源而引起的间接制约带来的。两个进程不能同时进入临界区，否则就会导致数据的不一致，产生与时间有关的错误。进程的同步则是程序共享私有资源造成直接制约。所以为了增强计算机系统的处理能力和提高资源利用率所采取一种同时操作技术，即程序的并发执行。并发的实质是一个处理 器在几个进程之间的多路复用，并发是对有限的物理资源强制行使多用户共享，并且充分发挥硬件的并行性，以提高系统资源的利用率。进程的并发性可以调度多个多道程序增加资源的利用率，同时给用户信息的及时响应。 如何实现并发进程的互斥？一种可能的办法是对临界区加锁以实现互斥。当某个进程进入临界区之后，它将锁上临界区，直到它退出临界区时为止。不过这种实现方法不能够保证并发进程互斥执行所要求的忙则等待的原则。 信号量是一种软件资源，是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制，包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作，每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。 信号量机制的原理。在操作系统中，信号量sem是一整数。在sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。显然，用于互斥的信号量sem初值应该大于零。信号量数值仅能由P,V原语操作改变。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S 的值加1；若S=0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一 第3章进程同步与通信练习题 （一）单项选择题 1 ?临界区是指（）。 A.并发进程中用于实现进程互斥的程序段B?并发进程中用于实现进程同步的程序段 C. 并发进程中用户实现进程通信的程序段 D.并发进程中与共享变量有尖的程序段 2. 相尖临界区是指（）。 A.—个独占资源B?并发进程中与共享变量有尖的程序段 c. 一个共享资源 D.并发进程中涉及相同变量的那些程序段 3 ?管理若干进程共享某一资源的相尖临界区应满足三个要求，其中（）不考虑。 A—个进程可以抢占己分配给另一进程的资源 B.任何进程不应该无限地逗留在它的临界区中 c. 一次最多让一个进程在临界区执行 D.不能强迫一个进程无限地等待进入它的临界区 4. （）是只能由P和v操作所改变的整型变量。 A共享变量B.锁c整型信号量 D.记录型信号量 5. 对于整型信号量，在执行一次P操作时，信号量的值应（）。 A.不变 B.加1 C减1 D.减指定数值 6-在执行v操作时，当信号量的值（）时，应释放一个等待该信号量的进程。 A>0 B.<0 c.>=0 D.<=0操作必须在屏蔽中断下执行，这种不可变中断的过程称为（）。 A初始化程序B.原语C.子程序D控制模块 8. 进程间的互斥与同步分别表示了各进程间的（）。 A.竞争与协作 B.相互独立与相互制约 C.不同状态 D .动态性与并发性 9并发进程在访问共享资源时的基本尖系为（）。 A.相互独立与有交往的 B.互斥与同步c并行执行与资源共享D信息传递与信息缓冲 10. 在进程通信中，（）常用信件交换信息。 A.低级通信 B.高级通信c .消息通信 D .管道通信 11. 在间接通信时，用send （N，M）原语发送信件，其中N表示（）。 A.发送信件的进程名 B.接收信件的进程名C信箱名D.信件內容 12. 下列对线程的描述中，（）是错误的。 A不同的线程可执行相同的程序 B.线程是资源分配单位 c.线程是调度和执行单位 D.同一 进程中的线程可共享该进程的主存空间 13. 实现进程互斥时，用（）对应，对同一个 信号量调用Pv操作实现互斥。 A. 一个信号量与一个临界区 B. 一个信号量与一个相尖临界区c. 一个信号量与一组相尖临界 区D一个信号量与一个消息 14. 实现进程同步时，每一个消息与一个信号量对应，进程（）可把不同的消息发送出去。 A.在同一信号量上调用P操作B在不同信号量上调用P操作c.在同一信号量上调用v操作 D. 在不同信号量上调用v操作 （二）填空题 1 ■ __________________________________________ 目前使用的计算机的基本特点是处理器执行指 令。 2- _____________ 进程的是指进程在顺序处理器上的执行是按顺序进行的。 3. _____________________________________________ 当一个进程独占魅理器顺序执行时，具有和两 实验四同步与互斥 【实验目的和要求】 1、掌握进程（线程）的同步与互斥。 2、掌握生产者消费者问题的实现方法。 3、掌握多线程编程方法。 【实验内容】 实现生产者消费者问题 1、有一个仓库，生产者负责生产产品，并放入仓库，消费者会从仓库中拿走产品(消费)。 2、仓库中每次只能入一个(生产者或消费者)。 3、仓库中可存放产品的数量最多10个,当仓库放满时，生产者不能再放入产品。 4、当仓库空时，消费者不能从中取出产品。 5、生产、消费速度不同。 【实验原理】 1、信号量mutex提供对缓冲池访问的互斥要求并初始化为1，信号量empty和 full分别用来表示空缓冲项和满缓冲项的个数，信号量empty初始化为n，信号量full初始化为0。 2、定义如下结构及数据： 定义缓冲区内的数据类型：typedef int buffer_item; 缓冲区：buffer_item buffer[BUFFER_SIZE]; 对缓冲区操作的变量：int in,out; 信号量mutex提供了对缓冲池访问的互斥要求：pthread_mutex_t mutex; 信号量empty和full分别表示空缓冲顶和满缓冲顶的个数：sem_t empty,full; 可以设定生产者的生产速度及消费者的消费速度：int pro_speed,con_speed; 对缓冲区操作的自增函数：#define inc(k) if(k < BUFFER_SIZE) k = k+1;else k=0 3、并定义了如下实现问题的函数模块： 将生产的产品放入缓冲区： int insert_item(buffer_item item) 从缓冲区内移走一个产品： int remove_item(buffer_item *item) 生产者进程：void *producer(void *param) 消费者进程：void *consumer(void *param) 生产者结构进程消费者结构进程 【程序代码】 //sx.c #include 【例1】有三个进程PA 、PB 和PC 协作解决文件打印问题：PA 将文件记录从磁盘读入内存的缓冲区1中，每执行一次读一个记录；PB 将缓冲区1中的内容复制到缓冲区2中，每执行一次复制一个记录；PC 将缓冲区2中的内容打印出来，每执行一次打印一个记录。缓冲区的大小与记录大小一样。请用信号量来保证文件的正确打印。 答：该文件打印过程的同步算法可描述如下： 【例2】进程A1、A2、…An1通过m 个缓冲区向进程B1、B2、…Bn2不断地发送消息。发送和接收工作遵循如下规则： （1）每个发送进程一次发送一个消息，写入一个缓冲区，缓冲区大小与消息长度一样。 （2）对于每一个消息，B1、B2、…Bn2都需各接收一次，读入自己的数据区内。 （3）m 个缓冲区都满时，发送进程等待；没有可读的消息时，接收进程等待。 试用wait,signal 操作描述它们的同步关系。 分析：本题是生产者－消费者问题的一个变形。由于每个缓冲区都只写一次，但要读n2次，故我们可将每个缓冲区看成是由n2格组成的。只有当某个缓冲区的n2 格都空闲时，才允许写入， 而且写一次缓冲区相当于将该缓冲区的n2格全部写一遍。Bj 进程从缓冲中取消息时，它只取相应缓冲的第j 格。由于每个Bj 取消息的速度不同，故需为它们分别设置指针outj ，用来指示从哪个缓冲区的第j 格中取消息。 答：我们将每个缓冲区看成是由n2格组成的，可为本题设置下列信号量：mutex,初值为1，用来实现对缓冲区的互斥访问；empty[i](i=1,…,n2)，初值均为m ，每个empty[i]对应于缓冲池的第i 格中的所有空闲缓冲区；full[i](i=1,…,n2)，初值均为0，对应缓冲池第i 格中装有消息的缓冲区。另外还需要提供整型变量in 用来指示将消息放入哪个缓冲区，outj(j=1,…,n2)用来指示Bj 从哪个缓冲区中取消息，这些变量的初值均为0。Ai,Bj 的算法描述如下： 【例3】设有两个生产者进程A 、B 和一个销售进程C ，他们共享一个无限大的仓库，生产者每次循环生产一个产品，然后入库供销售者销售；销售者每次循环从仓库中取出一个产品进行销售。如果不允许同时入库，也不允许边入库边出库，而且要求生产A 产品和B 产品的件数满足以下关系： －n ≤A 的件数－B 的件数≤m 其中n 、m 是正整数，但对仓库中A 产品和B 产品的件数无上述要求，请用信号量机制写出A 、 B 、 C 三个进程的工作流程。 分析：本题中存在着以下的同步和互斥关系：（1）生产者A 、B 和消费者C 之间，不能同时将产品入库和出库，故仓库是一个临界资源。（2）两个生产者之间必须进行同步。当生产者的A 、B 产品的件数之差大于等于m 时，生产者A 必须等待；小于等于－n 时，生产者B 必须等待。这种关系可想象成有两种令牌，分别跟允许A 和B 生产的产品数量相关，A 和B 必须取得对应的令牌后才能生产产品，故这两类令牌也就是两种临界资源。（3）生产者和销售者之间也必有进行同步，只有当生产者生产出产品并入库后，销售者才能进行销售。 答：为了互斥地入库和出库，需为仓库设置一初值为1的互斥信号量mutex ；为了使生产的产品件数满足：－n ≤A 的件数－B 的件数≤m ，需设置两个信号量，其中SAB 表示当前允许A 生产 1. 在公共汽车上，司机和售票员的工作流程如图所示。为保证乘客的安全，司机和售票员应密切配合协调工作。请用信号量来实现司机与售票员之间的同步。 司机 售票员 图司机和售票员工作流程图 2. 桌子上有一只盘子，盘子中只能放一只水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，一个儿子专等吃盘子中的橘子，一个女儿专等吃盘子中的苹果。用PV操作实现他们之间的同步机制。 3. a，b两点之间是一段东西向的单行车道，现要设计一个自动管理系统，管理规则如下：（1）当ab之间有车辆在行驶时同方向的车可以同时驶入ab段，但另一方向的车必须在ab 段外等待； （2）当ab之间无车辆在行驶时，到达a点（或b点）的车辆可以进入ab段，但不能从a 点和b点同时驶入； （3）当某方向在ab段行驶的车辆驶出了ab段且暂无车辆进入ab段时，应让另一方向等待的车辆进入ab段行驶。 请用信号量为工具，对ab段实现正确管理以保证行驶安全。 4．将只读数据的进程称为“读者”进程，而写或修改数据的进程称为“写者”进程。允许多个“读者”同时读数据，但不允许“写者”与其他“读者”或“写者”同时访问数据。另外，要保证：一旦有“写者”等待时，新到达的“读者”必须等待，直到该“写者”完成数据访问为止。试用P、V操作正确实现“读者”与“写者”的同步。（第二类读者写者问题，信号量解决方法） 5．一条河上架设了由若干个桥墩组成的一座桥。若一个桥墩只能站一个人，过河的人只能沿着桥向前走而不能向后退。过河时，只要对岸无人过，就可以过。但不允许河对岸的两个人同时过，以防止出现死锁。请给出两个方向的人顺利过河的同步算法。 6．有一个仓库，可以存放A和B两种产品，但要求： （1）每次只能存入一种产品（A或B）； (一)单项选择题 1.临界区是指( )。 A.并发进程中用于实现进程互斥的程序段 B．并发进程中用于实现进程同步的程序段 C．并发进程中用户实现进程通信的程序段 D．并发进程中与共享变量有关的程序段 2．相关临界区是指( )。 A.一个独占资源 B．并发进程中与共享变量有关的程序段 c．一个共享资源 D．并发进程中涉及相同变量的那些程序段 3．管理若干进程共享某一资源的相关临界区应满足三个要求,其中( )不考虑。 A一个进程可以抢占己分配给另一进程的资源 B．任何进程不应该无限地逗留在它的临界区中c．一次最多让一个进程在临界区执行 D．不能强迫一个进程无限地等待进入它的临界区4、( )是只能由P和v操作所改变的整型变量。 A共享变量 B．锁 c整型信号量 D．记录型信号量 5．对于整型信号量，在执行一次P操作时，信号量的值应( )。 A．不变 B．加1 C减1 D．减指定数值 6．在执行v操作时，当信号量的值( )时，应释放一个等待该信号量的进程。 A>0 B.<0 c.>=0 D.<=0 操作必须在屏蔽中断下执行，这种不可变中断的过程称为( )。 A初始化程序 B．原语 c．子程序 D控制模块 8．进程间的互斥与同步分别表示了各进程间的( )。 A．竞争与协作 B．相互独立与相互制约 c．不同状态 D．动态性与并发性 9并发进程在访问共享资源时的基本关系为( )。 A．相互独立与有交往的 B．互斥与同步 c并行执行与资源共享 D信息传递与信息缓冲 10．在进程通信中，( )常用信件交换信息。 A．低级通信 B．高级通信 c．消息通信 D．管道通信 11．在间接通信时，用send(N，M)原语发送信件，其中N表示( )。 A．发送信件的进程名 B．接收信件的进程名 C信箱名 D．信件内容 12．下列对线程的描述中，( )是错误的。 A不同的线程可执行相同的程序 B．线程是资源分配单位 c．线程是调度和执行单位 D．同一 进程中的线程可共享该进程的主存空间 13．实现进程互斥时，用( )对应，对同一个信号量调用Pv操作实现互斥。 A．一个信号量与一个临界区 B．一个信号量与—个相关临界区 c．一个信号量与一组相关临界 区 D一个信号量与一个消息 14．实现进程同步时，每一个消息与一个信号量对应，进程( )可把不同的消息发送出去。 A．在同一信号量上调用P操作 B在不同信号量上调用P操作 c．在同一信号量上调用v操作D．在不同信号量上调用v操作 (二)填空题 1．目前使用的计算机的基本特点是处理器______执行指令。 2．进程的______是指进程在顺序处理器上的执行是按顺序进行的。 3．当一个进程独占处理器顺序执行时，具有______和______两个特性。 4．进程的封闭性是指进程的执行结果只取决于______，不受外界影响。 5 进程的可再现性是指当进程再次重复执行时，必定获得______的结果。 6．一个进程的工作在没有全部完成之前,另一个进程就可以开始工作，则称这些进程为______. 7.若系统中存在一组可同时执行的进程，则就说该组进程具有______。 8．如果—个进程的执行不影响其他进程的执行，且与其他进程的进展情况无关，则说这些并发 互斥与同步的解决方法 =硬件方法 ---采用软件方法实现进程互斥使用临界资源是很困难的，他们通常能实现两个进程的互斥，很难控制多个进程的互斥。 ---算法设计需要非常小心，否则可能出现死锁，或互斥失败等严重问题。 ---软件方法始终不能解决忙等现象，降低系统效率， ---硬件发放包括屏蔽中断和专用机器指令。 +屏蔽中断 ---由于进程切换需要依赖中断来实现，如果屏蔽中断则不会出现进程切换。 ---因此，为了实现对临界资源的互斥使用，可以在进程进入临界区之前，屏蔽中断，当进程退出临界区时，打开系统中断。 ---中断被屏蔽以后，系统时钟中断也被屏蔽。处理机将不会被切换到其它进程。 ---于是，一旦屏蔽中断，进程就可以检查和修改共享内存区中的数据，而不必担心其他进程介入，其伪代码如下： Repeat ＜屏蔽中断＞； ＜临界区＞； ＜打开中断＞； ＜其余部分＞； Forever。 ---这种方法约束条件太强，付出的代价太大。 ---因为中断被屏蔽以后，系统将无法响应任何外部请求，也不会响应当前执行进程的任何异常及系统故障，严重的降低了处理机性能。 ---这种方法仅对单处理机系统有效，如果系统有两个或多个共享内存的处理机，屏蔽中断仅仅对执行本指令的处理机有效，其他处理机仍将继续运行，并可以访问共享内存空间。 =专用机器指令 ---利用一些专用机器指令也能实现互斥，机器指令在一个指令周期内执行，不会受到其他指令的干扰，也不会被中断。 ---Test and Set指令就是较长用的一种机器指令，其定义如下：·testset指令 Function testset(var i:integer):Boolean; Begin If i =0 then Begin i:=1; testset:=true; end进程同步与互斥汇总
Windows下进程同步与互斥
实验一 进程同步与互斥
实验二 进程(线程)的同步与互斥
进程同步机制与互斥生产者消费者问题
利用信号量机制解决进程同步和互斥问题
进程同步与通信练习题答案
实验四同步与互斥Linux实验报告
经典进程同步互斥问题集
新版进程同步典型例题
进程同步与通信练习题答案
互斥与同步的解决方法
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