进程通信与进程同步机制实现
进程管理实验实验报告
一、实验目的1. 理解进程的基本概念，掌握进程的结构和生命周期。
2. 掌握进程的创建、终止、同步和通信的方法。
3. 熟悉进程调度算法和进程同步机制。
4. 通过实验加深对操作系统进程管理的理解。
二、实验环境1. 操作系统：Linux2. 编程语言：C/C++3. 实验工具：gcc、make、xterm三、实验内容1. 进程的创建与终止（1）使用fork()系统调用创建进程编写一个C程序，通过fork()系统调用创建一个子进程。
父进程和子进程分别执行不同的任务，并输出各自的信息。
```c#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <unistd.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid == -1) {printf("Fork failed!\n");return 1;printf("This is child process, PID: %d\n", getpid()); // 子进程执行的任务} else {printf("This is parent process, PID: %d\n", getpid()); // 父进程执行的任务}return 0;}```（2）使用exec()系统调用替换子进程内容在父进程中，使用exec()系统调用替换子进程的内容，执行新的程序。
```c#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid == -1) {printf("Fork failed!\n");return 1;execlp("ls", "ls", "-l", (char )NULL);printf("Exec failed!\n");return 1;} else {wait(NULL);}return 0;}```2. 进程同步与通信（1）使用管道实现进程通信编写一个C程序，使用管道实现父进程和子进程之间的通信。
操作系统的进程同步机制
操作系统的进程同步机制操作系统是计算机透过硬件资源调度软件资源的重要软件工具，而进程是操作系统的一个重要概念，是计算机为了执行运算而分配的一段正在运行或待执行的代码。
当多个进程必须使用同一资源时，需要进行进程同步才能保证计算机的工作效率。
本文将介绍进程同步的概念、原理，以及目前使用的进程同步机制。
一、进程同步1.概念进程同步是指在多个进程同时访问共享资源时，为保证各进程操作正确、同步所采用的一种协调机制。
进程同步是指保护共享资源，使多个进程能够协同工作，避免执行发生冲突和竞争，从而保证计算机系统的稳定、安全和正确运行。
2.原理进程之间的相互影响有时会导致竞争条件，即多个进程试图同时访问同一资源，这会导致数据的不一致或破坏进程状态的可能性。
进程同步的目的是让多个进程能够按照一定顺序依次访问共享资源。
进程同步的基本原理是互斥原则，即同一时间只能有一个进程使用共享资源。
在保证临界资源的线程互斥和取消进程死锁的前提下，能够利用操作系统提供的同步机制解决竞争关系。
二、进程同步机制进程同步机制是解决多个进程访问共享资源的有效途径。
常见的进程同步机制有以下五种：1.临界区临界区是竞争资源最经常使用的同步技术，所有进程必须相互协调在公共资源中访问共享数据，这样的公共区域成为临界区。
每次只有一个进程能够进入临界区，而其他进程必须等到该进程离开临界区后，才能进入公共区域。
临界区的具体实现：在进入临界区时，设置“占用”标记；在离开临界区时，设置“空闲”标记。
如果进程试图进入一段已经被占据的代码，就会进入等待状态，直到“空闲”标记再次被设置为止。
2.信号量信号量是由荷兰计算机科学家E.W. Dijkstra提出的同步工具，是一个用于进程通信的系统级对象，它可以被进程通过两种操作进行访问：P操作（wait）和V操作（signal）。
P操作：当信号量S大于0时，对信号量S执行一次锁操作。
V操作：释放对S资源的锁定，将S增加1。
计算机操作系统03进程的同步与通信
用TS实现进程互斥: repeat while TS(lock) do skip; critical section lock:=false; remainder section until false;
第三章 进程的同步与通信
２. 利用Swap指令实现互斥 Swap指令: procedure (var a,b:Boolean) var temp:Boolean; begin temp:=a; a:=b; b:=temp end
计算机操作系统
第三章 进程的同步与通信
教学目的与要求： 1.掌握进程同步、进程通信、资源、信号量等
基本概念 2.了解解决进程同步问题的软件方法和硬件方
法 3.能用信号量和管程解决简单进程同步问题 4.了解OS/2操作系统的进程同步与通信机制
第三章 进程的同步与通信
重点与难点：
1. 同步、通信、资源、信号量等基本概念
第三章 进程的同步与通信
２ 临界资源的定义 临界资源是指并发进程之间在某段时间内同
时提出访问请求的互斥型资源。 例：在A进程正在访问打印机的时候，B进程也提
出对打印机的访问请求，则打印机为临界资源。应 互斥使用临界资源。
三．临界区 １ 临界区的定义 是指进程中访问临界资源的那段代码
第三章 进程的同步与通信
第三章 进程的同步与通信
算法３：与算法2相似，只是在flag[i]=ture时表示进 程P[i]要求进入临界区，若此时无其它进程有此要求， 则进程P[i]可进入临界区。对于进程Pi repeat flag[i]:=true; while flag[j] do no_op critical section flag[i]:=false; remainder section until false 该算法的缺点：违背了空闲让进和有限等待原则
操作系统进程通信报告
实验四：进程同步实验一、实验任务：1、熟悉操作系统进程通信原理2、设计程序，实现共享内存、管道通信、消息通信二、实验原理：1、进程间通信的几种方法简介（1）消息队列：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列systemV消息队列。
有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。
（2）共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。
是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。
往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
（3）无名管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；无名管道可用于有亲缘关系的进程之间彼此的通信，进行通信时候必须有一定的机制保证对管道写和读的互斥：即在读是要关闭写的端口，而在写的时候也要保证读的一端是关闭的。
2、进程通信函数（1）消息队列有关系统调用函数a.创建消息队列使用msgget()函数：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>int msgget(key_t key, int flag) ;该函数成功调用返回消息队列标识符。
其中的key是关键字，可以由ftok()函数得到：key=ftok(“.”,’a’);其中”.”可以是任何目录，’a’是任意字符，即所有群组标识。
flag是标识，IPC_CREAT位表示创建，一般由服务器程序创建消息队列时使用。
如果是客户程序，必须打开现存的消息队列，必须不使用IPC_CREAT。
发送和接收的消息都必须使用一个类似msgbuf的结构表示，msgbuf结构定义如下：struct msgbuf{long mtype;char mtext[1];}上面的定义，消息内容只有一个字节，是不实用的，一般我们需要重新定义一个结构：struct amsgbuf{long mtype;char mtext[200];}其中的mtype都是消息类型。
第3章 进程同步与通信2
进程写管道
进程向管道写数据时,可能有以下两种情况:
管道中有足够的空间存放要写的数据,此时每写 一数据块后核心便自动增加地址项的大小.写操 作完成后,核心修改索引节点中的写指针,并唤 醒所有因该管道空而睡眠等待的读进程. 管道中无足够的空间存放要写入的数据,此时核 心对该索引节点作标记后让写进程睡眠,等待数 据从管道中排出.上述情况的一个例外是,当进 程写的数据量大于管道的容量时,核心将尽可能 多的数据写到管道中,然后使进程睡眠,直到获 得更多的空间.
pipe文件的建立 文件的建立
pipe系统调用建立一个无名管道.其语法格式如下:
int pipe(fdes); int fdes[2];
核心创建一个管道时须完成下述工作:
分配磁盘和内存索引节点. 为读进程和写进程分配文件表项. 分配用户文件描述符.在读进程和写进程的用户文件描述 符表中,分别分配一个表项,并将文件描述符fdes[0]和 fdes[1]分别返回给读进程和写进程.
设置信号的处理方式
系统调用signal用于设置信号的处理方式.其 语法格式如下: void (* func)( ) signal(sig,func) 其中,func为收到软中断信号sig后进程希望 调用函数的地址. 19类信号如表所示.
func的取值情况
func的取值可以分成三种情况:
func=1时,进程对信号sig不予理睬. func=0时,即缺省处理,对大多数软中断信号的 缺省处理是终止进程. func为其他整数值时,它的值是指向信号处理程 序的指针.
管道通信示意图1
初始时,其长度为4,系统将管道看成一个循环 队列.按先进先出的方式读写.
A out B C D in
写入字符E后,管道长度为5
进程同步与进程通信
if Ri>=1 then begin Ri:= Ri -1; Ak = Ri 输出一张票； end; else 输出”票已售完“ end;
假设某时刻Ak为5，A、B两个人同时在2号3号窗口买票
process P2 begin Ri:=Ak;
if Ri>=1 then Ri = 4 begin Ri:= Ri -1; Ak = Ri 输出一张票； end; else 输出”票已售完“ end;
if Ri>=1 then begin Ri:= Ri -1; Ak = Ri 输出一张票； end; else 输出”票已售完“ end;
假设某时刻Ak为5，A、B两个人同时在2号3号窗口买票
process P2 begin Ri:=Ak;
if Ri>=1 then begin Ri:= Ri -1; Ak = Ri 输出一张票； end; else 输出”票已售完“ end;
process P3 begin Ri:=Ak;
if Ri>=1 then begin Ri:= Ri -1; Ak = Ri 输出一张票； end; else 输出”票已售完“ end;
假设某时刻Ak为5，A、B两个人同时在2号3号窗口买票
process P2 begin Ri:=Ak;
if Ri>=1 then begin Ri:= Ri -1; Ak = Ri 输出一张票； end; else 输出”票已售完“ end;
例2
(1) 假设count的初值为5，先运行P1再运行P2的结果是？ (2) 如果P1和P2并发执行，可能会出现什么运行结果？
P1 R1 ＝ count; R1++; count = R1; P2 R2 = count; R2++; count = R2;
Python中的进程间通信与同步技巧
Python中的进程间通信与同步技巧在多进程编程中，进程间通信和同步是必不可少的。
Python提供了许多技巧和模块来帮助我们实现进程间的通信和同步操作。
本文将介绍一些常用的Python进程间通信与同步的技巧。
1. 队列（Queue）队列是一种常用的进程间通信方式。
Python中的multiprocessing模块提供了一个Queue类，它可以实现多个进程之间的消息传递。
通过使用put()和get()方法，一个进程可以向队列中添加消息，而另一个进程则可以从队列中获取消息。
队列提供了线程安全的方法，可以防止多个进程同时修改队列。
2. 管道（Pipe）管道是一种双向的进程间通信方式。
与队列不同，管道允许进程之间进行双向的数据传输。
Python的multiprocessing模块提供了Pipe类，它可以用于创建管道，然后通过发送和接收方法进行数据的传输。
3. 共享内存（Shared Memory）共享内存是一种高效的进程间通信方式。
Python的multiprocessing模块提供了Value和Array两个类，它们分别用于在进程之间共享单个值和数组。
通过这些类，我们可以在多个进程之间共享内存，达到共享数据的目的。
4. 信号量（Semaphore）信号量是一种用于进程间同步的机制。
Python的multiprocessing模块提供了BoundedSemaphore和Semaphore两个类来实现信号量。
通过使用这些类，我们可以控制同时进行的进程数量，从而实现进程间的同步操作。
5. 事件（Event）事件是一种用于进程间通信和同步的机制。
Python的multiprocessing模块提供了Event类，它可以用于创建事件对象。
通过设置和清除事件对象的状态，不同进程可以进行等待和通知的操作，实现进程间的同步和通信。
6. 锁（Lock）锁是用于进程间同步的常用机制。
Python的multiprocessing模块提供了Lock 类，它可以用于创建锁对象。
深入理解操作系统中的进程间通信机制
深入理解操作系统中的进程间通信机制进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是操作系统中实现不同进程之间数据传输、共享资源、协同工作的一种机制。
在多进程环境下，各个进程相互独立运行，因此需要一种机制来实现它们之间的通信与协调。
本文将深入探讨进程间通信的概念、分类以及常用的实现方式。
一、进程间通信的概念进程间通信是指在操作系统中，不同进程之间通过一定的方法来交换数据和信息的过程。
它是为了满足进程之间资源共享、信息传递、任务协作等需求而设计的。
通过进程间通信，进程可以相互发送数据、接收数据，实现数据共享、同步、互斥等功能。
二、进程间通信的分类根据通信时是否需要借助操作系统来实现，进程间通信可以分为以下两类：1.隐式通信隐式通信是指不需要借助操作系统提供的特殊通信机制，而是通过共享的文件、数据库、内存等资源来实现进程之间的数据交换。
这种通信方式通常适合于处于同一主机上的进程通信，无需操作系统进行干预。
2.显式通信显式通信是指需要借助操作系统提供的通信机制来实现进程间通信。
其中常见的通信机制包括管道、消息队列、信号量、共享内存等。
这些通信机制是操作系统提供的API，用于实现进程间数据传输和共享资源。
三、常用的进程间通信方式在显式通信中，有多种方式可以实现进程间通信。
下面介绍几种常用的方式：1.管道（Pipe）管道是一种半双工的通信方式，用于在两个进程之间传递数据。
它基于文件描述符实现，包括有名管道和无名管道。
有名管道可以在不相关的进程之间进行通信，而无名管道仅用于相关进程之间的通信。
2.消息队列（Message Queue）消息队列是一种可以在不同进程间传递、保存消息的机制。
它采用先进先出的方式，保证消息的有序发送和接收。
通过消息队列，进程可以发送和接收各种类型的消息，实现数据传递和同步。
3.信号量（Semaphore）信号量是一种用于进程间同步和互斥的机制。
它通常用于解决多个进程之间对共享资源的访问问题。
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一．课程设计题目某银行提供10个服务窗口（7个对私服务窗口，3个对公服务窗口）和100个供顾客等待的座位。
顾客到达银行时，若有空座位，则到取号机上领取一个号，等待叫号。
取号机每次仅允许一位顾客使用，有对公和对私两类号，美味顾客只能选取其中一个。
当营业员空闲时，通过叫号选取一位顾客，并为其服务。
请用P、V操作写出进程的同步算法。
二．课程设计目的1、掌握基本的同步与互斥算法，理解银行排队系统操作模型。
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。
三．课程设计要求◆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。
四．需要了解的知识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。
2.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)。
五．需要用到的API函数及相关函数我们利用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)。
本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍1、WaitForSingleObject( hSemaphoreChairs , INFINITE );WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE );●功能——使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现(即其值大于等于1)或超过规定的等待时间●格式DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);●参数说明hHandle——信号量指针。
dwMilliseconds——等待的最长时间(INFINITE为无限等待)。
2、ReleaseMutex( hMutex );●功能——打开互斥锁，即把互斥量加1。
成功调用则返回0●格式BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);ReleaseSemaphore( hSemaphoreShoppers ,1,NULL);●功能——对指定信号量加上一个指定大小的量。
成功执行则返回非0值●格式BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,LONG lReleaseCount,LPLONG lppreviousCount );●参数说明hSemaphore——信号量指针。
lReleaseCount——信号量的增量。
lppreviousCount——保存信号量当前值。
3、hShoppersThread = CreateThread ( NULL ,0 , fnTreadFunction ,NULL , 0 ,NULL );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)。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。
lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。
lpThread——保存线程标志符(32位)4、hMutex = CreateMutex ( NULL , FALSE , NULL );hMutexBarber = CreateMutex ( NULL , FALSE , NULL );●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象●格式HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,BOOL bInitialOwner,LPCTSTR lpName);5. hSemaphoreChairs = CreateSemaphore ( NULL ,dwWaitVolume , dwWaitVolume , NULL );hSemaphoreShoppers = CreateSemaphore ( NULL ,0 , dwWaitVolume , NULL );●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象●格式HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,LONG lInitialCount,LONG lMaximumCount,LPCTSTR lpName );●参数说明lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。
lInitialCount——信号量的初始值。
该值大于0，但小于lMaximumCount指定的最大值。
lMaximumCount——信号量的最大值。
lpName——信号量名称。
hBarberThread = CreateThread ( NULL ,0 ,fnBarberFunction ,NULL , 0 ,NULL );●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)。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。
lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。
lpThread——保存线程标志符(32位)六．原理及算法1、信号量设置hMutex：取号机互斥信号量hSemaphorePubCus：等待对公服务顾客的数量hSemaphorePriCus:等待对私服务顾客的数量hSemaphoreSeats：剩余空座位的数量2、线程创建fnPubser1，fnPubser2，fnPubser3：3个对公窗口线程fnPriser1，fnPriser2，fnPriser3，fnPriser4，fnPriser5，fnPriser6，fnPriser7：7个对私窗口线程fnPubTreadFunction：对公顾客线程fnPriTreadFunction：对私顾客线程seat ：可用座位数量Pubcus=0：初始对公顾客等待数量Pricus=0：初始对私顾客等待数量dwCustoms=0：初始顾客排队数量3、P、V操作semaphorehMutex,hSemaphorePubCus,hSemaphorePriCus,hSemaphoreSeats;int seat，Pubcus=0，Pricus=0，dwCustoms=0；hMutex.value=1;hSemaphorePubCus.value=0;hSemaphorePriCus.value=0; hSemaphoreSeats.value=seat;process A//顾客线程{ int i=0;p(&hSemaphoreSeats);p(&hMutex);在取号机上取号；int set=rand（）%2；Switch（set）{case 0：创建对公顾客线程;dwCustoms++;default: 创建对私顾客线程；dwCustoms++；}v(&mutex);等待叫号；接受服务；v(&hSemaphorePubCus); //当取到对私服务号时为v（&hSemaphorePriCus); }process B//窗口线程，分对公窗口与对私窗口，执行过程相似，在此只写出其中一个窗口线程{P(&hSemaphorePubCus);//当取到对私服务号是为p（&hSemaphorePriCus）;若有顾客等待，则通过叫号为下一位顾客服务；dwCustoms--；v(&hSemaphoreSeats);为顾客提供服务顾客离开；}七．算法流程图开始客户到达选择服务窗口窗口忙？排队服务并离开队列空？队头取客户窗口闲置处理并离开时间到？结束八．主要数据结构及实现通过创建十二个线程来实现银行排队系统，3个对公窗口，7个对私窗口，1个对公等待顾客，1个对私等待顾客，十个窗口建立之后，来顾客就执行，没顾客就挂起，进入等待状态，通过设计一个随机数来实现对公对私窗口的区分，服务时间可以通过设计一个随机时间来实现，四个信号量，其中一个互斥信号量是取号机的，因为取号机只能一个人用，其余三个分别是等待室的信号量，对公和对私服务信号量，进来一个人时，先检查座位是否满了，没满，则取号，进入等待室，然后等待窗口叫号，当服务完时，离开并释放一个座位。
顾客线程创建过程：（顾客线程分对公顾客线程与对私顾客线程，创建过程基本类似，下面列举对公顾客线程创建过程）DWORD WINAPI fnPriTreadFunction(LPVOID lpParameter){/*进入等待室PV操作*/WaitForSingleObject( hSemaphoreSeats , INFINITE );//检查等待室有没有空位，有则继续WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE );//进入等待室，同时不允许其他顾客进入PrivateCustomers++;cout<<"\n第"<<PrivateCustomers<<"位对私顾客进入!\n";ReleaseMutex( hMutex );ReleaseSemaphore( hSemaphorePrivateCustomers,1,NULL);//释放一个信号量使顾客可以接受服务return 0 ;}窗口线程创建过程：（窗口线程分3个对公窗口与7个对私窗口，创建过程基本类似，下面列举对公窗口1线程创建过程）DWORD WINAPI PublicSevice2(LPVOID lpParameter){while(1){if (PublicCustomers <= 2){cout<<"对公窗口2空闲!\n";}/*开始对公服务PV操作*/WaitForSingleObject( hSemaphorePublicCustomers , INFINITE );//检查有没有顾客等待服务，有则继续WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE );//进入等待室时不允许其他顾客进入WaitForSingleObject(PublicSevice2 , INFINITE );//开始服务ReleaseMutex( hMutex );//释放互斥量，室其他人可以进入ReleaseSemaphore( hSemaphoreSeats ,1,NULL);//释放信号量使其它顾客可以进入等待室cout<<"第"<<PublicCustomers<<"位对公顾客正在服务!\n";//窗口正在服务，服务延时cout<<"第"<<PublicCustomers<<"位对公顾客离开!\n";WaitCustoms--;//记录顾客离开的序号ReleaseMutex( hSemaphoreSeats );//释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务CloseHandle(PublicSevice2);}}九．实验测试结果及结果分析结果分析顾客进入银行之后，首先判断是否有空座位，若有，则在取号机上取号，等待窗口服务。