1、實(shí)驗(yàn)七：同步機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)習(xí)內(nèi)容模擬實(shí)現(xiàn)用同步機(jī)構(gòu)避免發(fā)生進(jìn)程執(zhí)行時(shí)可能出現(xiàn)的與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤二、實(shí)習(xí)目的 進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)程，進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的，也即系統(tǒng)中 的多個(gè)進(jìn)程輪流地占用處理器運(yùn)行。我們把若干個(gè)進(jìn)程都能進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和修改的那些變量稱(chēng)為公共變量。 由于進(jìn)程 是并發(fā)地執(zhí)行的，所以，如果對(duì)進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)公共變量不加限制，那么就會(huì)產(chǎn)生“與 時(shí)間有關(guān)” 的錯(cuò)誤，即進(jìn)程執(zhí)行后所得到的結(jié)果與訪(fǎng)問(wèn)公共變量的時(shí)間有關(guān)。 為 了防止這類(lèi)錯(cuò)誤，系統(tǒng)必須要用同步機(jī)構(gòu)來(lái)控制進(jìn)程對(duì)公共變量的訪(fǎng)問(wèn)。 一般說(shuō)， 同步機(jī)構(gòu)是由若干條原語(yǔ)同步原語(yǔ)所組成。 本實(shí)習(xí)要求學(xué)生模擬 PV 操 作同步機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，模擬進(jìn)程

2、的并發(fā)執(zhí)行， 了解進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)同步機(jī)構(gòu)的作用。三、實(shí)習(xí)題目模擬 PV 操作同步機(jī)構(gòu)，且用 PV 操作解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題。提示：(1) PV操作同步機(jī)構(gòu)，由P操作原語(yǔ)和V操作原語(yǔ)組成，它們的定義如下：P操作原語(yǔ)P (s):將信號(hào)量s減去1,若結(jié)果小于0，則執(zhí)行原語(yǔ)的進(jìn)程被置 成等待信號(hào)量 s 的狀態(tài)。V操作原語(yǔ)V (s):將信號(hào)量s加1,若結(jié)果不大于0,則釋放一個(gè)等待信號(hào) 量 s 的進(jìn)程。這兩條原語(yǔ)是如下的兩個(gè)過(guò)程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1;if s<0 then W (s)end pprocedure v (var s

3、: semaphore);egin s: = s+1;if s 0犬hen R (s)end v其中W (s)表示將調(diào)用過(guò)程的進(jìn)程置為等待信號(hào)量s的狀態(tài)；R (s)表示釋放一個(gè)等待信號(hào)量s的進(jìn)程。在系統(tǒng)初始化時(shí)應(yīng)把semaphore定義為某個(gè)類(lèi)型，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在模擬實(shí)習(xí) 中可把上述的semaphore直接改成integer。(2) 生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題。 假定有一個(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)消費(fèi)者，生產(chǎn)者每次生產(chǎn)一件產(chǎn)品，并把生產(chǎn)的產(chǎn)品存入共享緩沖器以供消費(fèi)者取走使用。 消費(fèi)者每次從緩沖器內(nèi)取出一件產(chǎn)品去 消費(fèi)。禁止生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入已滿(mǎn)的緩沖器內(nèi)， 禁止消費(fèi)者從空緩沖器內(nèi)以產(chǎn)品。 假定緩沖器內(nèi)可同時(shí)存放 10件

4、產(chǎn)品。那么，用 PV 操作來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者 之間的同步，生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩個(gè)進(jìn)程的程序如下：B: array 0.9 of products;s1, s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;IN, out: in teger;IN: =0; out: =0;cobeg inprocedure producer;c: products;beg inL1:Produce (c);P (S1);BIN: =C;IN: =(IN+1)mod 10;V (s2);goto L1end;procedure con sumer;x: products;beg inL2：p (S2);x

5、: =Bout;out: =(out+1) mod10;v (S1);con sume (x);goto L2end;coend.其中的semaphore和products是預(yù)先定義的兩個(gè)類(lèi)型，在模擬實(shí)現(xiàn)中semaphore用 integer代替，products 可用 integer或 char 等代替。(3) 進(jìn)程控制塊PCB。為了記錄進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的情況，以及進(jìn)程讓出處理器后的狀態(tài)，斷點(diǎn)等信息， 每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程控制塊 PCB。在模擬實(shí)習(xí)中，假設(shè)進(jìn)程控制塊的結(jié)構(gòu)如 圖12-1。其中進(jìn)程的狀態(tài)有：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)和完成態(tài)。當(dāng)進(jìn)程處于等 待態(tài)時(shí)，在進(jìn)程控制塊PCB中要說(shuō)明進(jìn)程等待原因(

6、在模擬實(shí)習(xí)中進(jìn)程等待原 因是為等待信號(hào)量S1或22)；當(dāng)進(jìn)程處于等待態(tài)或就緒態(tài)時(shí)，PCB中保留了斷 點(diǎn)信息，一旦進(jìn)程再度占有處理器則就從斷點(diǎn)位置繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)進(jìn)程處于完成狀態(tài)，表示進(jìn)程執(zhí)行結(jié)束。進(jìn)程名|L狀態(tài)等待原因 |斷點(diǎn) | 圖12-1進(jìn)程控制塊結(jié)構(gòu)(4) 處理器的模擬。計(jì)算機(jī)硬件提供了一組機(jī)器指令，處理器的主要職責(zé)是解釋執(zhí)行機(jī)器指令。 為了模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，我們必須模擬一組指令和處理職能。模擬的一組指令見(jiàn)圖12-2,其中每條指令的功能由一個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。用變量 PC來(lái)模擬“指令計(jì)數(shù)器”，假設(shè)模擬的指令長(zhǎng)度為1,每執(zhí)行一條模擬指令后，PC加1,提出下一條指令地址。使用模擬的指令

7、，可把生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程的 程序表示為圖12-3的形式。定義兩個(gè)一維數(shù)組PA0.4和SA0.4，每一個(gè)PAi存放生產(chǎn)者程序中的一 條模擬指令執(zhí)行的入口地址；每個(gè) SAi存放消費(fèi)者程序中的一條模擬指令執(zhí)行 的入口地址。于是模擬處理器執(zhí)行一條指令的過(guò)程為：取出PC之值，按PAPC或SAPC得模擬指令執(zhí)行的入口地址，將PC之值加1,轉(zhuǎn)向由入口地址確定的 相應(yīng)的過(guò)程執(zhí)行。(5) 程序設(shè)計(jì) 本實(shí)習(xí)中的程序由三部分組成：初始化程序、處理器調(diào)度程序、模擬處理器 指令執(zhí)行程序。各部分程序的功能及相互間的關(guān)系由圖12-4至圖12-7指出。模擬的指令功能p (S):執(zhí)行P操作原語(yǔ)v (S)執(zhí)行V操作原語(yǔ)putBI

8、N: =product; IN: = (IN+1) mod 10GETx: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce輸入一個(gè)字符放入C中con sume打印或顯示x中的字符GOTO Lr pc: =lNOP空操作圖12-2 模擬的處理器指令序號(hào)生產(chǎn)者程序消費(fèi)者程序0producep (S2)1p (s1)GET2PUTv (S1)3v (S2)con sume4goto 0goto 0圖12-3生產(chǎn)者和消費(fèi)者程序初始化程序：模擬實(shí)習(xí)的程序從初始化程序入口啟動(dòng)，初始化工作包括對(duì)信號(hào)量S1、S2賦初值，對(duì)生產(chǎn)者、消費(fèi)者進(jìn)程的 PCB初始化。處理器調(diào)度程序：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中

9、，進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，任一進(jìn)程占用處理器執(zhí) 行完一條指令后就有可能被打斷而讓出處理器由其它進(jìn)程運(yùn)行。故在模擬系統(tǒng)中也類(lèi)似處理，每當(dāng)執(zhí)行一條模擬的指令后，保護(hù)當(dāng)前進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)，讓它成為非運(yùn) 行態(tài)，由處理器調(diào)度程序按隨機(jī)數(shù)再選擇一個(gè)就緒進(jìn)程占用處理器運(yùn)行。四、實(shí)習(xí)報(bào)告(1) 實(shí)習(xí)題目。(2) 打印源程序并附上注釋。(3) 從鍵盤(pán)上輸入一組字符，由生產(chǎn)者每次讀入一個(gè)字符供消費(fèi)者輸出。運(yùn) 行模擬程序，打印依次讀入的字符和經(jīng)消費(fèi)者輸出的字符。(4) 把生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程中的P操作、V操作都改成空操作指令，觀察在 兩者不同步的情況下可能出現(xiàn)的與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤。 打印依次讀入的字符和經(jīng)消 費(fèi)者輸出的字符。1)實(shí)驗(yàn)

10、題目： 2)實(shí)驗(yàn)源代碼：模擬PV操作同步機(jī)構(gòu)，且用PV操作解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題。分為四個(gè)頭文件。1、a.h 頭文件代碼如下：#include<string.h>#include<ctype.h>#include<malloc.h> /* malloc()等 */#include<limits.h> /* INT_MAX等 */#i nclude<stdio.h> /* EOF(=AZ或 F6),NULL */#include<stdlib.h> /* atoi() */#include<io.h> /* eof

11、() */ #include<math.h> /* floor(),ceil(),abs() */ #include<process.h> /* exit() */#include <iostream> using namespace std;#include <time.h>#define BUF 10 /緩存的大小#define MAX 20 /最大可以輸入的字符2、b.h 頭文件代碼如下：/ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和全局變量typedef struct Pcbchar name10;/ 進(jìn)程名char state10; / 運(yùn)行狀態(tài)char rea

12、son10; /若阻塞，其原因 int breakp; /斷點(diǎn)保護(hù)struct Pcb *next; /阻塞時(shí)的順序Pcb,*link;int s1,s2; / 信號(hào)量 link p1;/ 生產(chǎn)者進(jìn)程 link c1;/ 消費(fèi)者進(jìn)程 char strMAX; / 輸入的字符串 char bufferBUF; / 緩沖池 int len; / 輸入長(zhǎng)度 int sp=0; /string 的指針 int in=0; / 生產(chǎn)者指針 int out=0; / 消費(fèi)者指針 char temp; / 供打印的臨時(shí)產(chǎn)品 char rec_pMAX;/ 生產(chǎn)記錄 int rp1=0;/ 生產(chǎn)記錄指針 ch

13、ar rec_cMAX;/ 消費(fèi)記錄 int rp2=0;/ 消費(fèi)記錄指針 link ready; / 就緒隊(duì)列 link b_s1; /s1 阻塞隊(duì)列 link b_s2; /s2 阻塞隊(duì)列 int pc; / 程序計(jì)數(shù)器 int count; / 字符計(jì)數(shù)器 int con_cnt; / 消費(fèi)計(jì)數(shù)器3、c.h 頭文件代碼如下：void init();/初始化void p(int s);/P操作void v(int s);/V操作void block(int s);/阻塞函數(shù)void wakeup(int s);/ 喚醒函數(shù)void control(); / 處理機(jī)調(diào)度void proces

14、sor();/ 處理機(jī)執(zhí)行void print(); / 打印函數(shù)void init() / 初始化s1=BUF;s2=0;p1=(link)malloc(sizeof(Pcb);/ 建立新的結(jié)點(diǎn) , 并初始化為生產(chǎn)者strcpy(p1->name,"Producer");strcpy(p1->state,"Ready");strcpy(p1->reason,"Null");p1->breakp=0;p1->next=NULL;c1=(link)malloc(sizeof(Pcb);/ 建立新的結(jié)點(diǎn) ,

15、并初始化為消費(fèi)者strcpy(c1->name,"Consumer");strcpy(c1->state,"Ready");strcpy(c1->reason,"Null");c1->breakp=0;c1->next=NULL;ready=p1;ready->next=c1;/ 初始化為生產(chǎn)進(jìn)程在前，消費(fèi)進(jìn)程在后c1->next=NULL;b_s1=NULL;b_s2=NULL;/ 阻塞進(jìn)程為 NULLpc=0;con_cnt=0; / 消費(fèi)計(jì)數(shù)器void p(int s)if(s=1) /

16、p(s1)s1-;if(s1<0)block(1); / 阻塞當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)程elseprintf("t* s1信號(hào)申請(qǐng)成功 !n");ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)else /p(s2)s2-;if(s2<0)block(2);/ 阻塞當(dāng)前消費(fèi)進(jìn)程elseprintf("t* s2信號(hào)申請(qǐng)成功 !n");ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)void v(int s)if(s=1) /v(s1)s1+;if(s1<=0)wakeup(1); / 喚醒生產(chǎn)進(jìn)程 ready->breakp=pc;

17、 / 保存斷點(diǎn)else /v(s2)s2+;if(s2<=0)wakeup(2);/ 喚醒消費(fèi)進(jìn)程ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)void block(int s)/ 阻塞函數(shù)的定義link p;int num1=0;int num2=0;if(s=1)/ 生產(chǎn)進(jìn)程strcpy(p1->state,"Block");/ 改變狀態(tài) strcpy(p1->reason,"S1");/ 說(shuō)明原因 p=b_s1;while(p)num1+;p=p->next;/p的值為NULL表示隊(duì)尾if(!b_s1)b_s1=p1

18、;elsep=p1;p1->next=NULL;printf("t* p1 生產(chǎn)進(jìn)程阻塞了 !n");ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn) ready=ready->next;/ 在就緒隊(duì)列中去掉 , 指向下一個(gè) num1+;else/ 消費(fèi)進(jìn)程strcpy(c1->state,"Block");strcpy(c1->reason,"S2");p=b_s2;while(p)num2+;p=p->next;/p的值為NULL表示隊(duì)尾if(!b_s2)b_s2=c1;elsep=c1;rea

19、dy->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)ready=ready->next;/ 在就緒隊(duì)列中去掉 , 指向下一個(gè)c1->next=NULL;printf("t* c1 消費(fèi)進(jìn)程阻塞了 !n");num2+;printf("t* 阻塞的生產(chǎn)進(jìn)程個(gè)數(shù)為 :%dn",num1);printf("t* 阻塞的消費(fèi)進(jìn)程個(gè)數(shù)為 :%dn",num2);void wakeup(int s)/ 喚醒函數(shù)的定義link p;link q=ready;if(s=1) / 喚醒b_s1隊(duì)首進(jìn)程,生產(chǎn)進(jìn)程隊(duì)列p=b_s1;b_s1=b_s

20、1->next;/ 阻塞指針指向下一個(gè)阻塞進(jìn)程strcpy(p->state,"Ready");strcpy(p->reason,"Null");while(q)/ 插入就緒隊(duì)列q=p;p->next=NULL;printf("t* p1 生產(chǎn)進(jìn)程喚醒了 !n");else /喚醒b_s2隊(duì)首進(jìn)程,消費(fèi)進(jìn)程隊(duì)列p=b_s2;b_s2=b_s2->next;/ 阻塞指針指向下一個(gè)阻塞進(jìn)程strcpy(p->state,"Ready");strcpy(p->reason,&qu

21、ot;Null");while(q->next)/ 插入就緒隊(duì)列q=q->next;q->next=p;p->next=NULL;printf("t* c1 消費(fèi)進(jìn)程喚醒了 !n");void control() / 處理器調(diào)度程序int rd;int num=0;link p=ready;if(ready=NULL) / 若無(wú)就緒進(jìn)程 , 結(jié)束return;while(p) / 統(tǒng)計(jì)就緒進(jìn)程個(gè)數(shù)num+;printf("t* 就緒進(jìn)程個(gè)數(shù)為 :%dn",num);time_t t; srand(unsigned) ti

22、me(&t);rd=rand()%num;/ 隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù) if(rd=1)p=ready; ready=ready->next; ready->next=p; p->next=NULL; strcpy(ready->state,"Run"); strcpy(ready->next->state,"Ready");else strcpy(ready->state,"Run");pc=ready->breakp;void processor() / 模擬處理器指令執(zhí)行 if(

23、strcmp(ready->name,"Producer")=0) /當(dāng)前進(jìn)程為生產(chǎn)者switch(pc)case 0:/produceprintf("t* 生產(chǎn)者生產(chǎn)了字符 %cn",strsp); rec_prp1=strsp;/ 添加到生產(chǎn)記錄 sp=(sp+1)%len;pc+;ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)break;case 1: /p(s1)pc+;p(1);break;case 2: /putbufferin=rec_prp1; / 放到緩沖區(qū) printf("t* %c 字符成功入駐空緩存 !n&

24、quot;,bufferin); rp1+;in=(in+1)%BUF;pc+;ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn) break;case 3: /v(s2)pc+;printf("t*釋放一個(gè) s2 信號(hào)n");v(2);break;case 4:/goto01printf("t* 生產(chǎn)進(jìn)程 goto 0 操作 n");pc=0;count-; /剩余字符個(gè)數(shù)減 1printf("t*剩余字符 count=%d個(gè)n",count);ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)if(count<=0)

25、 / 生產(chǎn)結(jié)束printf("t* 生產(chǎn)者結(jié)束生產(chǎn) !n"); strcpy(p1->state,"Stop"); strcpy(p1->reason,"Null");ready->breakp=-1;ready=ready->next;/ 在就緒隊(duì)列中去掉else / 當(dāng)前進(jìn)程為消費(fèi)者switch(pc)case 0: /p(s2)pc+;p(2);break;case 1: /getprintf("t* 消費(fèi)者取字符 !n");temp=bufferout;out=(out+1)%BUF

26、;pc+;ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)break;case 2: /v(s1)pc+;printf("t* 釋放一個(gè) s1n");v(1);break;case 3: /consumeprintf("t* 消費(fèi)了字符 %cn",temp); rec_crp2=temp;/ 添加到消費(fèi)記錄 rp2+;con_cnt+;if(con_cnt>=len)strcpy(c1->state,"Stop");/ 完成態(tài) c1->breakp=-1;return; pc+;ready->breakp

27、=pc; / 保存斷點(diǎn) break;case 4: /goto0 printf("t* 消費(fèi)進(jìn)程 goto 0 操作 n"); pc=0;ready->breakp=pc; / 保存斷點(diǎn)void print()int i,j;printf(" 生產(chǎn)者消費(fèi)者模擬 n"); printf("*模擬過(guò)程的字符串為 :t");printf("%sn",&str);printf("*已生產(chǎn) :");for(j=0;j<=rp1;j+) printf("%c",rec

28、_pj);printf("n* 空緩存 :"); for(j=rp2;j<=rp1;j+) printf("%c",bufferj);printf("n* 已消費(fèi) :"); for(j=0;j<=rp2;j+) printf("%c",rec_cj);printf("n 進(jìn)程控制塊的信息 n"); printf("進(jìn)程名tt 狀態(tài)t等待原因t斷點(diǎn)n");printf("%st%st%stt%dnn",p1->name,p1->sta

29、te,p1->reason,p1->breakp);printf("%st%st%stt%dn",c1->name,c1->state,c1->reason,c1->bre akp);n");printf(" printf("1. 繼續(xù) 0. 退出 n"); scanf("%d",&i);if(i=0)exit(0);4、main 頭文件代碼如下：#include "a.h"#include "b.h"#include "c.h"void main()printf("* 生產(chǎn)者消費(fèi)者模擬 n");printf(" n");printf("* 請(qǐng)輸入字符串 :n");sca