OS课程设计报告.doc

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1、课程设计报告操作系统原理专业计算机科学与技术学生姓名谷 飞班级092学号指导教师李先锋完成日期2011年12月29日信息工程学院题目： 生产者与消费者的模拟实现一、设计目的本课程设计是学习完“操作系统原理”课程后进行的一次全面的综合训练，通过课程设计，更好地掌握操作系统的原理及实现方法，加深对操作系统基础理论和重要算法的理解，加强学生的动手能力。二、设计内容（1）概述模拟实现银行家算法避免死锁的出现，利用一种语言编程实现银行家算法，能够扫描数据完成分配，避免死锁 。解决的主要问题是利用银行家算法避免死锁。在操作系统中研究资源分配策略时也有类似的问题，系统中有限的资源要供多个进程使用，必须保证得

2、到资源的进程能在有限的时间内归还资源，以供它进程使用资源。如果资源分配不得当就会发生进程循环等待资源，各进程都无法继续执行下去的死锁现象。而最有代表性的避免死锁的算法，是Dijkstra的银行家算法。 银行家算法是避免死锁的一种重要方法，在课程设计中用C语言编写一个资源管理系统，并要用银行家算法和安全性算法检查是否允许分配资源给进程，避免死锁。通过课程设计，加深我们对了解有关资源申请、避免死锁等概念，并加深我们对银行家算法理解。提高了我们分析、解决问题的能力。（2）设计原理 在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若分配不会导致系统进入不

3、安全状态，则分配，否则等待。银行家算法是避免死锁的一种重要方法，为实现银行家算法，系统必须设置若干数据结构。1、银行家算法中的数据结构a、可利用资源向量Available.这是一个含有m个元素的数据组，其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而动态改变。b、最大需求矩阵Max。这是一个n*m的矩阵，它定义了系统中n个进程中每一个进程对m类资源的最大需求。c、分配矩阵Allocation。这也是一个n*m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一个进程的资源数。d、需求矩阵Need。这也是一个n*m的矩阵，用以表示

4、每一个进程尚需的各类资源数。2、银行家算法设Requesti是进程P的请求向量，如果Requestij=K，表示进程Pi需要K个Rj类型的资源。当Pi发出资源请求后，系统按下述步骤进行检查：（1）如果Requestij=Needi，j，便转向步骤（2）；否则认为出错，因为它所需要的资源数已超过它所宣布的最大值。（2）如果Requestij=Availablej，便转向步骤（3）；否则，表示尚无足够资源，P需等待。（3）系统试探着把资源分配给进程P，并修改下面数据结构中的数值： Availablej:=Availablej-Requestij; Allocationi,j:=Allocation

5、i,j+Requestij; Needi,j:=Needi,j-Requestij;(4)系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全，才正式将资源分配个进程Pi，以完成本次分配；否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。3、安全性算法： a、设置两个向量： 工作向量Work，它表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目，他含有m个元素，在执行安全算法开始时，Work:=Available。 Finish，它表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成。开始时先做Finishi:=false；当有足够资源分配给进程时，再令Finishi=

6、true。 b、从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程： Finishi=false； Needi，j=Workj；若没找到，执行步骤c，否则，执行步骤d。 c、当进程Pi获得资源后，可顺利执行，直至完成，并释放出分配给它的资源，故应执行： Workj:=Workj+Allocationi,j; Finishi:=true; go to step2; d、如果所有进程的Finishi=true都满足，则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。（3）详细设计及编码结束程序选择所要分配的进程进行资源分配是否继续分配资源退出资源分配AVAILABLEi=AVAILABLEi-REQUEST

7、iALLOCATIONi=ALLOCATIONi+REQUESTiNEEDi=NEEDi-REQUESTi安全性检查输出系统不安全提示输出提示：同意分配请求REQUESTiAVAILABLEi输出错误提示开始输入相关数据项提出请求REQUESTiNEEDi输出错误提示YNNYNY 系统流程图： N Y系统功能流程图源程序#include #include const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20; /缓冲区长度 unsigned short ProductID = 0; /产品号 unsigned short ConsumeID = 0; /将被消耗的产

8、品号 unsigned short in = 0; /产品进缓冲区时的缓冲区下标 unsigned short out = 0; /产品出缓冲区时的缓冲区下标 int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /缓冲区是个循环队列 bool g_continue = true; /控制程序结束 HANDLE g_hMutex; /用于线程间的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore; /当缓冲区满时迫使生产者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /当缓冲区空时迫使消费者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); /生产者线程 DWO

9、RD WINAPI Consumer(LPVOID); /消费者线程 int main() /创建各个互斥信号 g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /调整下面的数值，可以发现，当生产者个数多于消费者个数时， /生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经

10、常等待 const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 4; /生产者的个数 const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 6; /消费者的个数 /总的线程数 const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT; /各线程的handle DWORD producerIDCONSUMERS_COUNT; /生产者线程的标识符 DWORD consumerIDTHREADS_COUNT;

11、/消费者线程的标识符 /创建生产者线程 for (int i=0;iPRODUCERS_COUNT;+i) hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /创建消费者线程 for (i=0;iCONSUMERS_COUNT;+i) hThreadsPRODUCERS_COUNT+i=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; while(g

12、_continue) if(getchar() /按回车后终止程序运行 g_continue = false; return 0; /生产一个产品。简单模拟了一下，仅输出新产品的ID号 void Produce() std:cerr Producing +ProductID . ; std:cerr Succeed std:endl; /把新生产的产品放入缓冲区 void Append() std:cerr Appending a product . ; g_bufferin = ProductID; in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr Succeed s

13、td:endl; /输出缓冲区当前的状态 for (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout i : g_bufferi; if (i=in) std:cout - 生产; if (i=out) std:cout - 消费; std:cout std:endl; /从缓冲区中取出一个产品 void Take() std:cerr Taking a product . ; ConsumeID = g_bufferout; out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr Succeed std:endl; /输出缓冲区当前的状态 for

14、 (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout i : g_bufferi; if (i=in) std:cout - 生产; if (i=out) std:cout - 消费; std:cout std:endl; /消耗一个产品 void Consume() std:cerr Consuming ConsumeID . ; std:cerr Succeed std:endl; /生产者 DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hFullSemaph

15、ore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0; /消费者 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hM

16、utex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0; （4）结果及分析开始程序启动输入数据，首先输入进程数，其次是资源种类，而后是输入可分配资源数目和已分配的资源，最后是进程所需的最大资源数。如系统资源分配图1-1. 系统资源分配图1-1. 1最大需求资源分配图1-2如果输入的最大需求小于可分配资源则系统安全可以进行资源的分配。选择所要分配的进程系统会提示所要分配的各种资源的分配，输入分配数目，系统就

17、会分配资源给对应的进程。如分配资源提示图1-3。如果所要求的进程分配资源大于可分配资源的话系统就会提示出错。如出错提示图1-4。 分配资源提示图1-3 出错提示图1-4在选择完分配进程后系统分配给进程资源如分配后资源图1- 分配后资源图1-申请资源如果成功则可以继续分配，如果超过可分配资源则显示出错信息。通过对系统安全性的检查可以有效的避免死锁的发生。有效的分配资源。六、 结论（应当准确、完整、明确精练；也可以在结论或讨论中提出建议、设想、尚待解决问题等。）通过这次实验了解到生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，以及在其中使用信号量机制，生产者与消费者问题要求我们设计在同一个进程地址空间

18、内执行的两个线程。 生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费，而消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区，当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。这次生产者和消费者问题的课程设计，不但加深了我对操作系统中多线程机制的理解和认识，更让我认识到知识的掌握，仅靠学习理论知识是远远不够的，要与实际动手操作相结合才能更好的理解和分析问题。（6）参考文献1 汤子赢，哲凤屏，汤小丹. 计算机操作系统M. 西安：西安电子科技大学出版社，2001.2 任满杰，刘树刚，李军红. 操作系统原理实用教程M. 北京：电子工业出版社，2006.3 潭浩强. C程序设计M. 北京：清华大学出版社，1999.