实验七同步机构报告

实验七：同步机构实验报告一、实习内容模拟实现用同步机构避免发生进程执行时可能出现的与时间有关的错误。

二、实习目的进程是程序在一个数据集合上运行的过程，进程是并发执行的，也即系统中的多个进程轮流地占用处理器运行。

我们把若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量。

由于进程是并发地执行的，所以，如果对进程访问公共变量不加限制，那么就会产生“与时间有关”的错误，即进程执行后所得到的结果与访问公共变量的时间有关。

为了防止这类错误，系统必须要用同步机构来控制进程对公共变量的访问。

一般说，同步机构是由若干条原语——同步原语——所组成。

本实习要求学生模拟PV操作同步机构的实现，模拟进程的并发执行，了解进程并发执行时同步机构的作用。

三、实习题目模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。

[提示]：(1) PV操作同步机构，由P操作原语和V操作原语组成，它们的定义如下：P操作原语P (s)：将信号量s减去1，若结果小于0，则执行原语的进程被置成等待信号量s的状态。

V操作原语V (s)：将信号量s加1，若结果不大于0，则释放一个等待信号量s的进程。

这两条原语是如下的两个过程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1;if s<0 then W (s)end {p}procedure v (var s: semaphore);egin s: = s+1;if s 0 then R (s)end {v}其中W（s）表示将调用过程的进程置为等待信号量s的状态；R（s）表示释放一个等待信号量s的进程。

在系统初始化时应把semaphore定义为某个类型，为简单起见，在模拟实习中可把上述的semaphore直接改成integer。

(2) 生产者——消费者问题。

假定有一个生产者和一个消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。

消费者每次从缓冲器内取出一件产品去消费。

禁止生产者将产品放入已满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内以产品。

假定缓冲器内可同时存放10件产品。

那么，用PV操作来实现生产者和消费者之间的同步，生产者和消费者两个进程的程序如下：B: array [0..9] of products;s1, s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;IN, out: integer;IN: =0; out: =0;cobeginprocedure producer;c: products;beginL1:Produce (c);P (s1);B[IN]: =C;IN: =(IN+1)mod 10;V (s2);goto L1end;procedure consumer;x: products;beginL2: p (s2);x: =B[out];out: =(out+1) mod10;v (s1);consume (x);goto L2end;coend.其中的semaphore和products是预先定义的两个类型，在模拟实现中semaphore 用integer代替，products可用integer或char等代替。

(3) 进程控制块PCB。

为了记录进程执行时的情况，以及进程让出处理器后的状态，断点等信息，每个进程都有一个进程控制块PCB。

在模拟实习中，假设进程控制块的结构如图12-1。

其中进程的状态有：运行态、就绪态、等待态和完成态。

当进程处于等待态时，在进程控制块PCB中要说明进程等待原因（在模拟实习中进程等待原因是为等待信号量s1或s2）；当进程处于等待态或就绪态时，PCB中保留了断点信息，一旦进程再度占有处理器则就从断点位置继续运行；当进程处于完成状态，表示进程执行结束。

图(4) 处理器的模拟。

计算机硬件提供了一组机器指令，处理器的主要职责是解释执行机器指令。

为了模拟生产者和消费者进程的并发执行，我们必须模拟一组指令和处理职能。

模拟的一组指令见图12-2，其中每条指令的功能由一个过程来实现。

用变量PC来模拟“指令计数器”，假设模拟的指令长度为1，每执行一条模拟指令后，PC加1，提出下一条指令地址。

使用模拟的指令，可把生产者和消费者进程的程序表示为图12-3的形式。

定义两个一维数组PA[0..4]和SA[0..4]，每一个PA[i]存放生产者程序中的一条模拟指令执行的入口地址；每个SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。

于是模拟处理器执行一条指令的过程为：取出PC之值，按PA[PC]或SA[PC]得模拟指令执行的入口地址，将PC之值加1，转向由入口地址确定的相应的过程执行。

(5) 程序设计本实习中的程序由三部分组成：初始化程序、处理器调度程序、模拟处理器指令执行程序。

各部分程序的功能及相互间的关系由图12-4至图12-7指出。

·初始化程序：模拟实习的程序从初始化程序入口启动，初始化工作包括对信号量s1、s2赋初值，对生产者、消费者进程的PCB初始化。

·处理器调度程序：在计算机系统中，进程并发执行时，任一进程占用处理器执行完一条指令后就有可能被打断而让出处理器由其它进程运行。

故在模拟系统中也类似处理，每当执行一条模拟的指令后，保护当前进程的现场，让它成为非运行态，由处理器调度程序按随机数再选择一个就绪进程占用处理器运行。

四、实习报告(1) 实习题目。

(2) 打印源程序并附上注释。

(3) 从键盘上输入一组字符，由生产者每次读入一个字符供消费者输出。

运行模拟程序，打印依次读入的字符和经消费者输出的字符。

(4) 把生产者和消费者进程中的P操作、V操作都改成空操作指令，观察在两者不同步的情况下可能出现的与时间有关的错误。

打印依次读入的字符和经消费者输出的字符。

1）实验题目：模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。

2）实验源代码：分为四个头文件。

1、a.h头文件代码如下：#include<string.h>#include<ctype.h>#include<malloc.h> /* malloc()等 */#include<limits.h> /* INT_MAX等 */#include<stdio.h> /* EOF(=^Z或F6),NULL */#include<stdlib.h> /* atoi() */#include<io.h> /* eof() */#include<math.h> /* floor(),ceil(),abs() */#include<process.h> /* exit() */#include <iostream>using namespace std;#include <time.h>#define BUF 10 //缓存的大小#define MAX 20 //最大可以输入的字符2、b.h头文件代码如下：//数据结构的定义和全局变量typedef struct Pcb{char name[10]; //进程名char state[10]; //运行状态char reason[10]; //若阻塞，其原因int breakp; //断点保护struct Pcb *next; //阻塞时的顺序}Pcb,*link;int s1,s2; //信号量link p1;//生产者进程link c1;//消费者进程char str[MAX]; //输入的字符串char buffer[BUF]; //缓冲池int len; //输入长度int sp=0; //string的指针int in=0; //生产者指针int out=0; //消费者指针char temp; //供打印的临时产品char rec_p[MAX];//生产记录int rp1=0;//生产记录指针char rec_c[MAX];//消费记录int rp2=0;//消费记录指针link ready; //就绪队列link b_s1; //s1阻塞队列link b_s2; //s2阻塞队列int pc; //程序计数器int count; //字符计数器int con_cnt; //消费计数器3、c.h头文件代码如下：void init(); //初始化void p(int s); //P操作void v(int s); //V操作void block(int s);//阻塞函数void wakeup(int s);//唤醒函数void control(); //处理机调度void processor();//处理机执行void print(); //打印函数void init(){ //初始化s1=BUF;s2=0;p1=(link)malloc(sizeof(Pcb));//建立新的结点,并初始化为生产者strcpy(p1->name,"Producer");strcpy(p1->state,"Ready");strcpy(p1->reason,"Null");p1->breakp=0;p1->next=NULL;c1=(link)malloc(sizeof(Pcb));//建立新的结点,并初始化为消费者strcpy(c1->name,"Consumer");strcpy(c1->state,"Ready");strcpy(c1->reason,"Null");c1->breakp=0;c1->next=NULL;ready=p1;ready->next=c1;//初始化为生产进程在前，消费进程在后c1->next=NULL;b_s1=NULL;b_s2=NULL;//阻塞进程为NULLpc=0;con_cnt=0; //消费计数器}void p(int s){if(s==1){ //p(s1)s1--;if(s1<0)block(1); //阻塞当前生产进程else{printf("\t* s1信号申请成功!\n");ready->breakp=pc; //保存断点}}else{ //p(s2)s2--;if(s2<0)block(2);//阻塞当前消费进程else{printf("\t* s2信号申请成功!\n");ready->breakp=pc; //保存断点}}}void v(int s){if(s==1){ //v(s1)s1++;if(s1<=0)wakeup(1); //唤醒生产进程ready->breakp=pc; //保存断点}else{ //v(s2)s2++;if(s2<=0)wakeup(2);//唤醒消费进程ready->breakp=pc; //保存断点}}void block(int s){//阻塞函数的定义link p;int num1=0;int num2=0;if(s==1){//生产进程strcpy(p1->state,"Block");//改变状态strcpy(p1->reason,"S1");//说明原因p=b_s1;while(p){num1++;p=p->next;//p的值为NULL,表示队尾}if(!b_s1)b_s1=p1;elsep=p1;p1->next=NULL;printf("\t* p1生产进程阻塞了!\n");ready->breakp=pc; //保存断点ready=ready->next;//在就绪队列中去掉,指向下一个num1++;}else{//消费进程strcpy(c1->state,"Block");strcpy(c1->reason,"S2");p=b_s2;while(p){num2++;p=p->next;//p的值为NULL,表示队尾}if(!b_s2)b_s2=c1;elsep=c1;ready->breakp=pc; //保存断点ready=ready->next;//在就绪队列中去掉,指向下一个c1->next=NULL;printf("\t* c1消费进程阻塞了!\n");num2++;}printf("\t* 阻塞的生产进程个数为:%d\n",num1);printf("\t* 阻塞的消费进程个数为:%d\n",num2);}void wakeup(int s){//唤醒函数的定义link p;link q=ready;if(s==1){ //唤醒b_s1队首进程,生产进程队列p=b_s1;b_s1=b_s1->next;//阻塞指针指向下一个阻塞进程strcpy(p->state,"Ready");strcpy(p->reason,"Null");while(q)//插入就绪队列q=q->next;q=p;p->next=NULL;printf("\t* p1生产进程唤醒了!\n");}else{ //唤醒b_s2队首进程,消费进程队列p=b_s2;b_s2=b_s2->next;//阻塞指针指向下一个阻塞进程strcpy(p->state,"Ready");strcpy(p->reason,"Null");while(q->next)//插入就绪队列q=q->next;q->next=p;p->next=NULL;printf("\t* c1消费进程唤醒了!\n");}}void control() //处理器调度程序{int rd;int num=0;link p=ready;if(ready==NULL) //若无就绪进程,结束return;while(p) //统计就绪进程个数{num++;p=p->next;//最终p变为NULL}printf("\t* 就绪进程个数为:%d\n",num);time_t t;srand((unsigned) time(&t));rd=rand()%num;//随机函数产生随机数if(rd==1){p=ready;ready=ready->next;ready->next=p;p->next=NULL;strcpy(ready->state,"Run");strcpy(ready->next->state,"Ready");}elsestrcpy(ready->state,"Run");pc=ready->breakp;}void processor(){ //模拟处理器指令执行if(strcmp(ready->name,"Producer")==0) //当前进程为生产者switch(pc){case 0://produceprintf("\t* 生产者生产了字符%c\n",str[sp]);rec_p[rp1]=str[sp];//添加到生产记录sp=(sp+1)%len;pc++;ready->breakp=pc; //保存断点break;case 1: //p(s1)pc++;p(1);break;case 2: //putbuffer[in]=rec_p[rp1]; //放到缓冲区printf("\t* %c字符成功入驻空缓存!\n",buffer[in]);rp1++;in=(in+1)%BUF;pc++;ready->breakp=pc; //保存断点break;case 3: //v(s2)pc++;printf("\t* 释放一个s2信号\n");v(2);break;case 4://goto01printf("\t* 生产进程goto 0 操作\n");pc=0;count--; //剩余字符个数减1printf("\t* 剩余字符count=%d个\n",count);ready->breakp=pc; //保存断点if(count<=0){ //生产结束printf("\t* 生产者结束生产!\n");strcpy(p1->state,"Stop");strcpy(p1->reason,"Null");ready->breakp=-1;ready=ready->next;//在就绪队列中去掉}}else //当前进程为消费者switch(pc){case 0: //p(s2)pc++;p(2);break;case 1: //getprintf("\t* 消费者取字符!\n");temp=buffer[out];out=(out+1)%BUF;pc++;ready->breakp=pc; //保存断点break;case 2: //v(s1)pc++;printf("\t* 释放一个s1\n");v(1);break;case 3: //consumeprintf("\t* 消费了字符%c\n",temp);rec_c[rp2]=temp;//添加到消费记录rp2++;con_cnt++;if(con_cnt>=len){strcpy(c1->state,"Stop");//完成态c1->breakp=-1;return;}pc++;ready->breakp=pc; //保存断点break;case 4: //goto0printf("\t* 消费进程goto 0 操作\n");pc=0;ready->breakp=pc; //保存断点}}void print(){int i,j;printf("————————生产者消费者模拟———————\n");printf("* 模拟过程的字符串为:\t");printf("%s\n",&str);printf("* 已生产:");for(j=0;j<=rp1;j++)printf("%c",rec_p[j]);printf("\n* 空缓存:");for(j=rp2;j<=rp1;j++)printf("%c",buffer[j]);printf("\n* 已消费:");for(j=0;j<=rp2;j++)printf("%c",rec_c[j]);printf("\n———————进程控制块的信息————————\n");printf("进程名\t\t状态\t等待原因\t断点\n");printf("%s\t%s\t%s\t\t%d\n\n",p1->name,p1->state,p1->reason,p1->breakp);printf("%s\t%s\t%s\t\t%d\n",c1->name,c1->state,c1->reason,c1->bre akp);printf("———————————————————————\n");printf("1.继续 0.退出\n");scanf("%d",&i);if(i==0){exit(0);}}4、main头文件代码如下：#include "a.h"#include "b.h"#include "c.h"void main(){printf("*生产者消费者模拟\n");printf("—————————\n");printf("*请输入字符串:\n");scanf("%s",str); //string数组存放将要产生的字符len=strlen(str);count=len; //输入字符的个数init(); //初始化while(con_cnt<len) //消费完所有的字符为结束{system("cls"); //清屏操作printf("—————————模拟指令流程————————\n");control(); //处理器调度程序processor(); //模拟处理器指令执行print(); //输出显示各个信息}printf("\n程序结束!\n"); }3）。