实验报告五
——生产者和消费者问题
姓名：丛菲 学号： 20100830205 班级：信息安全二班
一、实习内容
? 1、模拟操作系统中进程同步和互斥
? 2、实现生产者和消费者问题的算法实现
二、实习目的
? 1、熟悉临界资源、信号量及 PV 操作的定义与物理意义
? 2、了解进程通信的方法
? 3、掌握进程互斥与进程同步的相关知识
? 4、掌握用信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题
? 5、实现生产者－消费者问题，深刻理解进程同步问题
三、实习题目
? 在 Linux 操作系统下用 C 实现经典同步问题：生产者 — 消费者，具体要求如下：
一个大小为 10 的缓冲区，初始状态为空。
2 个生产者，随机等待一段时间，往缓冲区中添加数据，若缓冲区已满，等待消 费者取走数据之后再添加，重复 10 次。
2 个消费者，随机等待一段时间，从缓冲区中读取数据，若缓冲区为空，等待生 产者添加数据之后再读取，重复 10 次。
? 提示
本实验的主要目的是模拟操作系统中进程同步和互斥。在系统进程并发执行 异步推进的过程中，由于资源共享和进程间合作而造成进程间相互制约。进程间的 相互制约有两种不同的方式。
间接制约。这是由于多个进程共享同一资源(如 CPU 、共享输入 /输出设备)
而引起的，即共享资源的多个进程因系统协调使用资源而相互制约。
直接制约。
只是由于进程合作中各个进程为完成同一任务而造成的， 即并发进
程各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各个进程的执行速度。
生产者和消费者是经典的进程同步问题，在这个问题中，生产者不断的向缓冲
区中写入数据，而消费者则从缓冲区中读取数据。生产者进程和消费者对缓冲区的
操作是互斥，即当前只能有一个进程对这个缓冲区进行操作，生产者进入操作缓冲
区之前，先要看缓冲区是否已满，如果缓冲区已满，则它必须等待消费者进程将数
据取出才能写入数据，同样的，消费者进程从缓冲区读取数据之前，也要判断缓冲
区是否为空，如果为空，则必须等待生产者进程写入数据才能读取数据。
在本实验中， 进程之间要进行通信来操作同一缓冲区。
一般来说， 进程间的通信根据通信内 容可以划分为两种： 即控制信息的传送与大批量数据传送。
有时， 也把进程间控制在本实验 中，进程之间要进行通信来操作同一缓冲区。
一般来说， 进程间的通信根据通信内容可以划 分为两种： 即控制信息的传送与大批量数据传送。
有时， 也把进程间控制信息的交换称为低 级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。
目前，计算机系统中用得比较普遍的高级通信机制可分为 3 大类：共享存储器系统、 消 息传递系统及管道通信系统。
? 共享存储器系统 共享存储器系统为了传送大量数据，在存储器中划出一块共享存储区，诸进程可通过对 共享存储区进行读数据或写数据以实现通信。
进程在通信之前， 向系统申请共享存储区中的 一个分区，并为它指定一个分区关键字。
信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数 据的交换称为高级通信。
目前，计算机系统中用得比较普遍的高级通信机制可分为 3 大类：共享存储器系统、消息 传递系统及管道通信系统。
? 消息传递系统
在消息传递系统中， 进程间的数据交换以消息为单位， 在计算机网络中被称为报文。
消息传 递系统的实现方式又可以分为以下两种：
（1）直接通信方式
发送进程可将消息直接发送给接收进程， 即将消息挂在接收进程的消息缓冲队列上， 而接收 进程可从自己的消息缓冲队列中取得消息。
（2）间接通信方式
发送进程将消息发送到指定的信箱中， 而接收进程从信箱中取得消息。
这种通信方式又称信 箱通信方式， 被广泛地应用于计算机网络中。
相应地， 该消息传递系统被称为电子邮件系统。
? 管道通信系统
向管道提供输入的发送进程， 以字符流方式将大量的数据送入管道， 而接收进程从管道中接 收数据。由于发送进程和接收进程是利用管道进行通信的，故称为管道通信。
为了协调发送和接收双方的通信，管道通信机制必须提供以下 3 方面的协调功能。
（1）互斥
当一个进程正在对 pipe 文件进行读或写操作时，另一个进程必须等待。
（2）同步 当写进程把一定数量的数据写入 pipe 文件后，便阻塞等待，直到读进程取走数据后，再把 写进程唤醒。
（3）确认对方是否存在
只有确定对方已存在时， 才能进行管道通信，否则会造成因对方不存在而无限制地等待。 在
这个问题当中，我们采用信号量机制进行进程之间的通信， 设置两个信号量，空的信号量和
满的信号量。在Linux系统中，一个或多个信号量构成一个信号量集合。使用信号量机制可
以实现进程之间的同步和互斥， 允许并发进程一次对一组信号量进行相同或不同的操作。 每
个P、V操作不限于减1或加1，而是可以加减任何整数。在进程终止时，系统可根据需要 自动消除所有被进程操作过的信号量的影响
?缓冲区采用循环队列表示，利用头、尾指针来存放、读取数据，以及判断队列是否为空。
缓冲区中数组大小为 10;
?利用随机函数rand()得到A?Z的一个随机字符，作为生产者每次生产的数据， 存放到缓
冲区中；
使用shmget()系统调用实现共享主存段的创建， shmget()返回共享内存区的ID。对于已
经申请到的共享段，进程需把它附加到自己的虚拟空间中才能对其进行读写。
4?信号量的建立采用 semget()函数，同时建立信号量的数量。在信号量建立后，调用semctl() 对信号量进行初始化，例如本实习中，可以建立两个信号量 SEM_EMPTY、SEM_FULL ,
初始化时设置 SEM_EMPTY为10, SEM_FULL为0。使用操 作信号的函数semop()做排除 式操作，使用这个函数防止对共享内存的同时操作。对共享内存操作完毕后采用 shmctl()函
数撤销共享内存段。
5?使用循环，创建 2个生产者以及2个消费者，采用函数 fork()创建一个新的进程。
6?—个进程的一次操作完成后，采用函数 fflush()刷新缓冲区。
7.程序最后使用semctl()函数释放内存。
模拟程序的程序流程图如下所示：
1?主程序流程图：
退出」
2?生产者进程流程图
3?消费者进程流程图
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v<?m id,册N FMPn i
P操作流程图
stiuct sembufpc;
pc.seMi_num=
pc.SHfli_qp=-l；
pc.sem_flg = 0,
s&irinp^s&^id, fepc, !);+■'
退出」
5.V操作流程图
退出屮
四、实现代码为：
// exet5.cpp
〃#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define mSIZE 3
#define pSIZE 20
staticintmemery[mSIZE] = {0};
staticint process[pSIZE] = {0};
//static int process[pSIZE] = {2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2};
//static int process[pSIZE]
{7,10,1,2,10,3,10,4,2,3,10,3,2,1,2,10,1,7,10,1};
void build();
void LRU();
int main(intargc, char *argv[])
{
printf("Random sequence is as follows:\n");
build();
printf("\nlnvoking LRU Algorithn: \n");
LRU();
return 0;
}
void build()
{
inti = 0;
for(i=0; i<pSIZE; i++)
{
process[i] = (int)(10.0*rand()/(RAND_MAX));
printf("%d ",process[i]);
}
printf("\n");
}
void LRU()
{
int flag[mSIZE] = {0};
inti = 0, j = 0;
int m = -1, n = -1;
int max = -1,maxflag = 0;
int count = 0;
for(i = 0; ivpSIZE; i++)
{
for(j=0; jvmSIZE; j++){
for(j=0; jvmSIZE; j++)
{
if(memery[j] == 0)
{
m = j;
break;
}
}
//Find if there are same processes for(j = 0; j <mSIZE; j++)
{
if(memery[j] == process[i])
{
n = j;
}
}
//Find free PB
for(j = 0; j <mSIZE;j++)
{
if(flag[j]>maxflag)
{
maxflag = flag[j];
max = j;
}
}
if(n == -1) // Find no same process
{
if(m != -1) // find free PB
{
memery[m] = process[i];
flag[m] = 0;
for(j = 0;j <= m; j++)
{
flag[j]++;
}
m = -1;
}
else //NO find free PB
{
memery[max] = process[i];
flag[max] = 0;
for(j = 0;j <mSIZE; j++)
{ {
{ {
flag[j]++;
}
max = -1;
maxflag = 0;
count++;
}
}
else // Find same process
{
memery[n] = process[i];
flag[n] = 0;
if(m != -1) //find free PB
{
flag[m] = 0;
}
for(j = 0;j vmSIZE; j++)
五、在虚拟机上的具体操作及结果
flag[j]++;
}
max = -1;
maxflag = 0;
n = -1;
}
for(j = 0 ;j <mSIZE; j++)
{
printf("%d ",memery[j]);
}
printf("\n");
}
printf("\nThe times of page conversion is: %d\n",count);
}
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其中1表示缓冲区被生产者 produced 或者二producer2写入了 Item ,0表示没
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六、实验总结及思考
1、 本次实验是关于生产者与消费者之间互斥和同步的问题。
问题的是指是P、 V操作，实验设一个共享缓冲区，生产者和消费者互斥的使用， 当一个线程使用 缓冲区的时候，另一个让其等待直到前一个线程释放缓冲区为止。
2、 实验中包含的知识点很多，包括临界区资源共享问题、信号量定义、 PV 操作流程、进程间的通信方式（消息传递和共享内存）、进程同步和互斥、信号 量机制解决进程之间的同步与互斥问题等等。加深了对于本部分内容的理解
通过本实验设计，我们对操作系统的 P、V进一步的认识，深入的了解 P、 V操作的实质和其重要性。课本的理论知识进一步阐述了现实中的实际问题。