操作系统-pv操作

操作系统-pv操作 《现代操作系统》课程设计 课程设计报告(论文) 报告(论文)题目： PV操作解决生产者-消费者问题 作者所在系部： 计算机科学与工程系 作者所在专业： 网络工程 作者所在班级： ******* 作 者 姓 名 ： ****** 作 者 学 号 ： ************ 指导教师姓名： ******* 完 成 时 间 ： 2009年11月10日 ******************* 第 1 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 ............................................................................................................................................ 3 .............................................................................................................................. 4 1.1 ..................................................................................................................................... 4 1.2 ............................................................................................................................. 4 1.3 ............................................................................................................................. 4 1.4 ............................................................................................................................. 4 1.5 ............................................................................................................................. 4 1.6 ............................................................................................................................. 5 ........................................................................................................... 5 2.1 ............................................................................................................................. 5 2.1.1 PV操作原理 ................................................................................................................................ 5 2.1.2生产者消费者问题描述 .............................................................................................................. 5 2.1.3 程序图 ................................................................................................................................. 7 2.1.4 调试工具与命令 ......................................................................................................................... 8 2.1.5关键代码 .............................................................................................................................. 8 ........................................................................................................... 9 3.1 .......................................................................................................................... 9 3.2 ....................................................................................................................... 9 3.3 ............................................................................................................................ 10 3.3.1有PV控制运行结果 ................................................................................................................. 10 3.3.2无PV控制运行结果 ................................................................................................................. 10 3.4 ......................................................................................................................... 11 3.4.1有PV控制进程结束 ................................................................................................................. 11 3.4.2无PV控制进程结束 ................................................................................................................. 11 ............................................................................................................................ 12 .................................................................................................................................. 13 ................................................................................................................... 14 第 2 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 进程同步机制的主要任务是对多个机关进程在执行次序上进行协调，使并发执行的诸 进程之间能按照一定的（或时序）共享系统资源，并能很好的相互合作，从而使程序 的执行具有再现性。 生产者和消费者是典型的进程同步问题，它了进程同步与临界资源的关系。在生 产者-消费者问题中，所描述的是生产者生产和消费者消费之间的关系。为使生产者进程与 消费者进程并发执行，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池。生产者进程将它所生产的产品，按序放入一个缓冲区中。消费者进程也按序从一个缓冲区中取走产品去消 费。尽管所有的生产者进程和消费者进程，都是以异步方式运行的，但他们之间必须保持 同步关系，即不允许消费者进程到一个空缓冲区中取产品，也不允许生产者进程向一个已 装满产品且尚未取走的缓冲区中投放产品。 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，因此要唤醒一个等待状态的进 程，使之运行下去。多线程就是有两个或两个以上的信号量，线程同步的运行。 第 3 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 1.1 操作系统是现代计算机系统中最基本和最重要的系统让软件，它是计算机科学与技术 专业的一门重要的基础课程。通过讲授本课程，学生可以全面的了解操作系统的概念，操 作系统是一组能有效的组织和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类资源进行调度， 以方便用户使用的程序的集合。其作用是管理好这些设备，提高利用率和系统的吞吐量， 为用户和应用程序提供简单的接口，便于用户使用。学完操作系统，可以更好的搭建学生 的专业基础知识。 本次课程设计在本着加强课本知识运用能力的前提下，我选取了用PV操作来解决生产者消费者问题这个题目。该题目主要是解决操作系统中进程的同步与互斥的问题。 1.2 图书馆五楼计算机系软二机房 1.3 在Linux下用C语言，调用Linux提供的系统函数编写程序，实现操作系统中生产着 与消费者的同步于互斥问题 1.4 结合操作系统理论课程中学习到的记录型信号量机制，进程的创建、调度、终结， 在Linux操作系统下进行实际编程模拟操作，完成PV操作解决生产者-消费者问题，使进程能够在系统中有条不紊的运行，从而使大家对可以把理论知识运用到实践中来，加深对 理论的理解。 1.5 设计PV操作算法，用信号量机制实现生产者与消费者同步与互斥问题，并与无PV 情况下进行对比。定义20个缓冲区，将其初始化为0。调用随机函数rand（）生成随机数，把随机数通过生产者放入缓冲区。若缓冲区满则其值非0。当消费者从缓冲区中去数后缓冲区值变为0。程序可显示缓冲区中的全部内容，方便观察生产者与消费者的行为。程序 可通过设置sleep(time)中time的值来控制生产者与消费者的执行顺序。 第 4 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 1.6 Ubuntu 默认桌面环境采用 GNOME(The GNU Network Object Model Environment，GNU网络对象模型环境)，一个 UNIX 和 Linux 主流桌面套件和开发平台。 2.1 2.1.1 PV 信号量机制是一种卓有成效的进程同步工具。在长期的广泛应用中，得到了很大的发 展，信号量机制已被广泛地应用于但处理机和多处理机系统中。 在记录型信号量中，s.value的初始值表示系统中某资源的数目，因而又成为资源信号 量。对它的每次p操作，意味着进程请求一个单位的该资源，使系统中可供分配的该类资 源减少一个，因此描述为s.value:=s.value-1；当s.value<0时，表示该类资源已分配完毕， 因此进程调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。 对信号量的每次v操作，表示执行进程释放一个单元资源，使系统中可供分配的该类 资源数增加一个。故s.value:=s.value+1操作表示资源数目加1。若加1后仍是s.value<=0，则表示在该信号量链表中，仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup原语，将S.L链表中的第一个等待进程唤醒。如果s.value的初始值为1，表示只允许一个进程访问 临界资源，此时信号量转化为互斥信号量用于进程互斥。 2.1.2 为了实现生产者与消费者同步与互斥的问题，该程序用记录型信号量机制来实现。 假定在生产者与消费者之间，利用一个公共的缓冲池来进行通信，生产者将所生产的 信息放入其中，消费者cognitive缓冲池中取得消息来消费，该缓冲池具有n个缓冲区，其编号为0，1，2，3???,n-1；设置一个互斥信号量mutex，用于实现诸进程对缓冲池的互斥 使用，其初值为1，利用资源信号量empty，表示缓冲池中空缓冲区的数目，其初值为n；full分别表示缓冲池中满缓冲区的数目，其初值为0.又假定这些生产者和消费者相互等效， 只要缓冲池未满，生产者便可将消息送入由指针in所指的缓冲区；只要缓冲池未空，消费 者变可以从由指针out所指示的缓冲区中，取走一个消息。对生产者消费者的问题可以描 述如下： 第 5 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 Var metux,empty,full:semaphore=1,n,0; Buffer:array[0,???n-1] of item; In,out:integer:=0; Begin: Pabegin Producer:begin Repeat Producer an item nextp; P(empty); P(mutex); buffer(in):=nextp; in:=(in+1)mod n; V(mutex); V(full); Until false; End Consumer:begin Repeat P(full); P(mutex); nextc:= buffer(out); out:=(out+1)mod n; V(mutex); V(empty); Until false; End Parend End 第 6 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 2.1.3 创建进程模拟生产者消费者 消 费 者 生 产 者 阻塞 N 有消费请求？ 存在空缓冲区 阻塞 Y 阻塞 此请求可满足？ 另一生产者正Y 在写？ N 确定产品位置 进入临界区 阻塞 此产品正被消费？ 从空缓冲区中为本生产者分 配一个空间 进入临界区（对同一产品进行请 求的消费者之间互斥） 退出临界区 消费产品、并判断是否应该释放在该缓冲区中写入产品 产品所占缓冲区 通过信号量通知等待本产品 的消费者 退出临界区 结束消费者进程 结束生产者进程 图 2-1 程序流程图 第 7 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 2.1.4 启动vi编辑器：vi [文件] ：q! 不存盘退出。 ：w 将缓冲区内的资料写入磁盘中，但并不离开vi ：q 直接退出。 :wq 存盘并退出 :wq! 强行存盘退出（相当于ZZ） 编译命令：gcc -o 目标文件名 源文件名 执行命令：./ 目标文件名 2.1.5 1． 信号量操作 创建信号量函数 ：int semget(key_t key, int nsems, int semflg)； 控制信号量函数：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg)； PV操作函数： int semop(int semid, struct sembuf * sops, unsigned nsops)； 信号量的使用是一个很容易出错的问题，如在程序退出时，必须还原所有的加锁， 否则程序会运行出错。本系统在缓冲区操作时分为两种情况sem_p(emptyid, 0)之后， 如果要写入的缓冲区为空，则执行写入操作然后sem_v (fullid, 0)，如果要写入的缓 冲区为空，则执行程序不能写入换冲区，要执行还原操作，执行sem_v (emptyid, 0) 操作。 本程序定义的信号量有emptyid、fullid、mutexid。 fullid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666); emptyid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666); mutexid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666); 2. 共享内存操作 创建共享内存： shmget(char * pathname, int proj_id, size_t size); arrayid=shmget(IPC_PRIVATE,sizeof(int)*MAXSHM,IPC_CREAT|0666); getid=shmget(IPC_PRIVATE,sizeof(int),IPC_CREAT|0666); setid=shmget(IPC_PRIVATE,sizeof(int),IPC_CREAT|0666); 删除共享内存： shmctl (char * viraddr, int shmid); 本程序定义的共享内存有array、set、get。其中array为20个共享缓冲区，set为多 个生产者进程共同的取数端和计数器，get为消费者的计数器。 3. 进程操作 第 8 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 创建进程函数：fork(); 进程退出函数：exit (0); 这进程等待子进程退出函数：wait (sumer[t], (int *)0, 0); Main主进程使用fork()生成子进程，这样就生成里一个消费者或生产者进程，并且 还为主进程的子进程。当子程序执行了exit(0) 3.1 在Linux下编译源文件用命令gcc：如图3-1。 图 3-1 编辑命令gcc 3.2 在Linux先执行目标文件用命令./目标文件。如图3-2。 图 3-2 执行命令./目标文件 第 9 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 3.3 3.3.1PV 有PV控制下的运行结果如图3-3所示 图3-3 有PV控制下的运行结果 3.3.2PV 无PV控制下的运行结果如图3-4所示 图3-4 无PV控制下的运行结果 第 10 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 3.4 3.4.1PV 有PV控制下的进程结束显示结果如图3-5所示 图3-5有PV控制下的进程结束 3.4.2PV 无PV控制下的进程结束显示结果如图3-6所示 图 3-6无PV控制下进程的结束 第 11 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 此次课程设计学习了在C语言里定义信号量、共享内存的使用、用fork（）函数创建 子进程以及定义信号量的PV操作，并通过sleep函数来调整生产者和消费者对缓冲区的操作，在无PV时初始时让sleep(time)中的time=1可以看到消费者对缓冲区进行读，而此时生产者并无向缓冲区中放东西。在有PV控制下必须是缓冲区非空且无生产者对缓冲区进 行操作时消费者才能对缓冲区操作，同理只有缓冲区不满而且无消费者操作时生产者才能 对缓冲区操作。通过与无PV控制下对缓冲区进行读写可以进一步理解在信号量控制下的 作用。 这次试验让我深刻的了解了操作系统的PV操作，也加深了对操作系统的认识，课本上的概念也有了深入的印象，使我对操作系统这个学科有了整体观感，这次试验，使我受 益匪浅，感谢老师的指导和帮助，感谢同学的帮助和关心！ 第 12 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 [1] 汤小丹，梁红兵，哲凤屏，汤子瀛 著。现代操作系统。电子工业出版社，2008年 4月 [2] 汤小丹，梁红兵，哲凤屏，汤子瀛 编著。计算机操作系统。现电子科技大学出版 社，2007年5月 [3] 《计算机操作系统教程》清华大学出版社 张尧学 第 13 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 #include 数据结构*/ #include union semun arg; #include /*定义共享内存*/ #include int shmid1,shmid2,shmid3; #include int *buffer,*get,*set; #include /*创建信号量并初始化*/ #include emptyid=semget(IPC_PRIVAT#include E,1,IPC_CREAT|0666); #define MAX 20 // 定义缓冲 fullid=semget(IPC_PRIVATE,1 区的大小 ,IPC_CREAT|0666); /*定义信号量内部标识*/ mutexid=semget(IPC_PRIVATint emptyid; E,1,0666|IPC_CREAT); int fullid; arg.val=1; /*为信号量 int mutexid; 赋初值*/ int main() if(semctl(mutexid,0,SETVAL,a{ rg)==1) printf("**********使用pv操 perror("semctl setval 作***********\n"); error"); pv(); arg.val=20; /*为信号量 printf("*************无pv操赋初值*/ 作*********\n"); if(semctl(emptyid,0,SETVAL,a no_PV(); rg)==1) } perror("semctl setval int pv() error"); { arg.val=0; int i,C1,C2,p1,p2,m; if(semctl(fullid,0,SETVAL,arg) srand(time(NULL)); ==1) /*定义P、V操作所用的数据 perror("semctl setval 结构*/ error"); struct sembuf P,V; /*定义信号量的P操作*/ /*定义给信号量赋初值的参数 P.sem_num=0; 第 14 页 共 20 页 《现代操作系统》课程设计 P.sem_op=-1; semop(emptyid,&P,1); P.sem_flg=0; //对emptyid执行P操作 /*定义信号量的V操作*/ semop(mutexid,&P,1); V.sem_num=0; //对mutexid执行P操作 V.sem_op=1; if((*set)=20) ,4,0666|IPC_CREAT); break; get=(int*)shmat(shmid3,0,0); } (*get)=0; printf("P1 over!\n"); while((p1=fork())==-1); // exit(0); 创建生产者1子进程直到成功为止,p1存 } 放子进程的pid号 while((p2=fork())==-1); // if(p1==0) 创建生产者2子进程直到成功为止,p1存 //返回值=0表示子进程返回 放子进程的pid号 { if(p2==0) //返回值=0表 for(i=0;i=20) if((*get)>=MAX) break; break; } } sleep(1); printf("C1 over!\n"); printf("P2 over!\n"); exit(0); exit(0); } } while((C2=fork())==-1); //创 while((C1=fork())==-1); //建消费者2子进程 创建消费者1子进程 if(C2==0) if(C1==0) { { for(i=0;i=MAX) for( m=0;m=20) printf("%d break; ",buffer[m]); } printf("\n"); printf("P2 over!\n"); } exit(0); (*set)++; } if((*set)>=20) while((C1=fork())==-1); // break; 创建消费者1子进程 } if(C1==0) printf("P1 over!\n"); { exit(0); for(i=0;i=MAX) } break; (*get)++; } if((*get)>=MAX) printf("C2 over!\n"); break; exit(0); } } printf("C1 over!\n"); wait(0); //等待子进程终止 exit(0); wait(0); } wait(0); while((C2=fork())==-1); // shmdt(buffer); //断 创建消费者2子进程 开附接的共享内存 if(C2==0) shmdt(get); //断开附接的共 { 享内存 for(i=0;i