大工18春《操作系统》大作业题目及要求答案.pdf

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1、网络教育学院网络教育学院操作系统课操作系统课 程程 设设 计计题题目目：题目四题目四学习中心：学习中心：专专业：业：年年级：级：学学号：号：学学生：生：1.1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？答：转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。在这个学期中，通过老 师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机 方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程和实用性。通过这一学期的学习，我才知道操作系统(Operating System，简称 O

2、S)是管理计算机系统的全部硬件资源包 括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持 等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。通过这 次的对操作系统的总结，有收获也有遗憾、不足的地方，但我想，我已经迈入了操 作系统的大门，只要我再认真努力的去学习，去提高，凭借我对网页设计的热情和 执着，我将来设计出的网页会更加专业，更完善。感谢老师在百忙中阅卷，也感恩老师这学期 以来对我的照顾，在老师的深刻讲授下让操作 系统这门十分枯燥和难理解的学科变得生动有趣。祝愿老师早日职称晋升，立项通过，身体健康，阖家欢乐。谢谢老师！题目四：进程同

3、步与互斥题目四：进程同步与互斥 生产者与消费者问题生产者与消费者问题一、设计思路：一、设计思路：1.11.1 生产者消费者问题生产者消费者问题生产者消费者问题（Producer_consumer）是一个经典的进程同步问题。它描述的是：有一群生产者进程在生产产品，并将此产品提供给消费者进程去消费。为使生产者进程和消费者进程能并发执行，在它们之间设置有个缓冲区的缓冲池，生产者进程可将它所生产的产品放入一个缓冲区中，消费者进程可从一个缓冲区取得一个产品消费。尽管所有的生产者进程和消费者进程都是以异步的方式运行的，但它们之间必须保持同步，即不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品，也不允许生产者进程向一

4、个已装有消息尚未被取走产品的缓冲区投放产品。如下图所示：1.21.2、生产者和消费者原理分析、生产者和消费者原理分析在同一个进程地址空间内执行两个线程。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。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挡，直到新的物品被生产出来。1.31.3、生产者与消费者功能描述：、生产者与消费者功能描述：生产者功能描述：在同一个进程地址空间内执行两个线程。生产者线程生产物品，然后将物品

5、放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。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。消费者功能描述：消费者线程从缓冲区获得物品，然后释放缓冲区，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。二、基本内容二、基本内容进程同步是指几个进程相互合作，一个进程到达某个点后，除非另一个进程已经完成某些操作，否则就不得不停下来，等待这些操作的结束，这就是进程同步的概念。生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。本作业要求设计在同一个进程地址空间内

6、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。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。生产者消费者问题是一种同步问题的抽象描述。计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源，当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。通过一个有界缓冲区把生产者和消费者联系起来。假定生产者和消费者是相互等效的，

7、只要缓冲区未满，生产者就可以将产品送入缓冲区，类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中去走物品并消费它。生产者和消费者的同步关系将禁止生产者向满的缓冲区输送产品，也禁止消费者从空的缓冲区中提取物品。在生产者消费者问题中，信号灯具有两种功能。首先，它是跟踪资源的生产和消费的计数器；其次，它是协调资源的生产者和消费者之间的同步器。消费者通过再一指派给它的信号灯上做 P 操作来表示消耗资源，而生产者通过在同一信号灯上做 V 操作来表示生产资源。再这种信号灯的实施中，计数在每次 P 操作后减 1，而在每次 V 操作中加 1。个这一计数器的初始值是可利用的资源数目。当资源是不可利用时，将申请资源的

8、进程放置在等待队列中。如果有一个资源释放，在等待队列中的第一个进程被唤醒并得到资源的控制权。为解决这一类生产者消费者问题，设置了两个同步信号灯，一个说明空缓冲区的数目，用empty 表示，其初值为有界缓冲区的大小 n，另一个说明缓冲区的数目，用 full 表示，其初制值为 0。由于有界缓冲区是一个零界资源，必须互斥使用，所以另外还需设置一个互斥信号灯 mutex,起初值为 1。假定在生产者和消费者之间的公用缓冲区中，具有 n 个缓冲区，这时可以利用互斥信号量 mutex 实现诸进程对缓冲池的互斥使用；利用信号量 empty 和 full分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量。又假定这些生产者

9、和消费者互相等效果，只要缓冲池未满，生产者便可以将消息送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者便可以从缓冲池中取走一个消息。在生产者-消费者问题中应注意：首先，在每个程序中用于互斥的wait(mutex)和 signal(mutex)必须成对出现；其次，对资源信号量 empty 和 full的 wait 和 signal 操作，同样需要成对地出现，但它们分别处于不同的程序中。生产者与消费者进程共享一个大小固定的缓冲区。其中，一个或多个生产者生产数据，并将生产的数据存入缓冲区，并有一个或多个消费者从缓冲区中取数据。假设缓冲区的大小为 n（存储单元的个数），它可以被生产者和消费者循环使用。分别设置两个指

10、针 in 和 out，指向生产者将存放数据的存储单元和消费者将取出数据的存储单元，如图，指针 in 和 out 初始化指向缓冲区的第一个存储单元。生产者从第一个存储单元开始存放数据，一次存放一条数据一条数据且in 指针向后移一个位置，当 in 指针指向第 n 个存储单元，下一次将指向第一个存储单元，如此循环反复使用缓冲区。消费者从缓冲区中逐条取走数据，一次取一条数据，相应的存储单元变为“空”，可以被生产者再次使用。每次取走一条数据，out 指针向后移一个存储单元位置。试想，如果不控制生产者与消费者，将会产生什么结果？1 2 3 4 5 6 7 8 n In out1 2 3 4 5 6 7 8

11、 n In out其中，in 表示存数据位置，out 表示取数据位置：被占用单元：空存储单元图：生产者/消费者循环使用缓冲区首先，生产者和消费者可能同时进入缓冲区，甚至可能同时读/写一个存储单元，将导致执行结果不确定。这显然是不允许的。所以，必须使生产者和消费者互斥进入缓冲区。即某时刻只允许一个实体（生产者或消费者）访问缓冲区，生产者互斥消费者和其他任何生产者。其次，生产者不能向满的缓冲区写数据，消费者也不能在空缓冲区中取数据，即生产者与消费者必须同步。当生产者产生出数据，需要将其存入缓冲区之前，首先检查缓冲区中是否有“空”存储单元，若缓冲区存储单元全部用完，则生产者必须阻塞等待，直到消费者取

12、走一个存储单元的数据，唤醒它。若缓冲区内有“空”存储单元，生产者需要判断此时是否有别的生产者或消费者正在使用缓冲区，若是有，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，将数据存入缓冲区，释放缓冲区的使用权。消费者取数据之前，首先检查缓冲区中是否存在装有数据的存储单元，若缓冲区为“空”，则阻塞等待，否则，判断缓冲区是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，进入缓冲区取数据，释放缓冲区的使用权。其执行流程如图所示，伪代码如图所示。2、涉及的数据结构用资源向量 Available。这是一个含有m 个元素的数组，其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初始值是系统中所

13、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地改变。如果 Availablej=K，则表示系统中县有 RJ 类资源 K 个。需求矩阵 MAX。这是一个N*M 的矩阵，它定义了系统中N 个进程中的每一个进程对 M 类资源的最大需求。如果MAXi,j=K，则表示进程I 需要 RJ 类资源的最大数目为 K。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进程的资源数。如果Allocationi,j=K，则表示进程i 当前已分得 RJ 类资源的数目为 K。矩阵 Need。这也是一个 N*M 的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。

14、如果 Needi,j=K，则表示进程 I 还需要 RJ 类资源 K 个，方能完成其任务。上述三个矩阵间存在下述关系：Needi,j=MAXi,j-Allocationi,j三、数据流程图：三、数据流程图：3.13.1、生产者、生产者3.23.2、消费者、消费者3.33.3 模块说明：模块说明：constunsignedshort SIZE_OF_BUFFER =10;/缓冲区长度unsignedshort ProductID =0;/产品号unsignedshort ConsumeID =0;/将被消耗的产品号unsignedshort in =0;/产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned

15、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 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);/消费者线程3.43.4 源程序源程序#include#includ

16、e const unsigned short SIZE_OF_BUFFER=20;/有界缓冲区长度int g_bufferSIZE_OF_BUFFER;/开辟缓冲区，用数组表示，可以看成是一个循环队列unsigned short ProductID=0;/新生产出来的产品的产品号unsigned short ConsumeID=0;/被消耗的产品的产品号unsigned short in=0;/产品进缓冲区时的缓冲区下标，用于记录生产者的指针位置unsigned short out=0;/产品出缓冲区时的缓冲区下标，用于记录消费者的指针位置bool g_continue=1;/控制程序运行：1

17、 表示继续运行，0 表示停止运行HANDLE g_hMutex;/线程间的互斥信号量HANDLE g_hFullSemaphore;/资源信号量：缓冲区满HANDLE g_hEmptySemaphore;/资源信号量：缓冲区空DWORD WINAPI Producer(LPVOID);/生产者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);/消费者线程const unsigned short PRODUCERS_COUNT=4;/生产者的个数const unsigned short CONSUMERS_COUNT=3;/消费者的个数constunsignedshortTHREA

18、DS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;/总线程数HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT;/各线程的 handleDWORD producerIDCONSUMERS_COUNT;/生产者线程的标识符DWORD consumerIDTHREADS_COUNT;/消费者线程的标识符/*-*/生产一个产品，输出其 ID 号void Produce()/*-*/*-把 新 生 产 的 产 品 放 入 缓 冲 区 开 始-*/把新生产的产品放入缓冲区void Append()生产一个产品结束std:coutstd:endl;std:cerr

19、生产一个产品:+ProductID;std:coutstd:endl;生产一个产品开始std:cerr把生产的产品送入缓冲区;g_bufferin=ProductID;in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerrstd:endl;std:cout缓冲区产品生产者/消费者std:endl;/新产品放入缓冲区后，输出缓冲区当前的状态for(int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i)/输出缓冲区下标if(i10)std:couti g_bufferi;elsestd:couti g_bufferi;if(i=in)if(i=out)if(g_bufferi10)st

20、d:cout ;if(g_bufferi10)std:cout ;elsestd:cout ;std:cout-生产者;/输出生产者的指针位置elsestd:cout ;std:cout-消费者;/输出消费者的指针位置std:coutstd:endl;/*-把 新 生 产 的 产 品 放 入 缓 冲 区 结 束-*/*-*/void Consume()/消费一个产品/*-*/*-从 缓 冲 区 中 取 出 一 个 产 品 开 始-*/从缓冲区中取出一个产品void Take()std:coutstd:endl;std:cerr从缓冲区取出一个产品;ConsumeID=g_bufferout;o

21、ut=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerrstd:endl;std:coutstd:endl;消费一个产品结束std:coutstd:endl;std:cerr消费一个产品:ConsumeID;std:coutstd:endl;消费一个产品开始std:cout缓冲区产品生产者/消费者std:endl;/取出一个产品后，输出缓冲区当前的状态for(int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i)/输出缓冲区下标if(i10)std:couti g_bufferi;elsestd:couti g_bufferi;if(i=in)if(i=out)std:coutst

22、d:endl;if(g_bufferi10)std:cout ;if(g_bufferi10)std:cout ;elsestd:cout ;std:cout-生产者;/输出生产者的指针位置elsestd:cout ;std:cout-消费者;/输出消费者的指针位置/*-从 缓 冲 区 中 取 出 一 个 产 品 结 束-*/*-生产者线程-*/生产者线程DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)while(g_continue)/资源信号量的 P 操作WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);/互斥信号量的 P

23、 操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);/生产一个产品Produce();/把新生产的产品放入缓冲区Append();Sleep(2000);/互斥信号量的 V 操作ReleaseMutex(g_hMutex);/资源信号量的 V 操作ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);return 0;/*-生产者线程-*/*-消费者线程开始结束开始-*/消费者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)while(g_continue)/资源信号量的 P 操作WaitForSing

24、leObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE);/互斥信号量的 P 操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);/从缓冲区中取出一个产品Take();/消费一个产品Consume();Sleep(2000);/互斥信号量的 V 操作ReleaseMutex(g_hMutex);/资源信号量的 V 操作ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);return 0;/*-消费者线程结-*/*-创建生产者线程开-*/void createPT()/创建生产者线程束始for(int i=0;iPRO

25、DUCERS_COUNT;+i)hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi);/*-创建生产者线程结束if(hThreadsi=NULL)g_continue=0;-*/*-*/void createCT()/创建消费者线程hThreadsPRODUCERS_COUNT+j=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&for(int j=0;jCONSUMERS_COUNT;+j)创建消费者线程开始consumerIDj);/*-*/*-*/主函数开始创建消费者线程结束if(hThreads

26、j=NULL)g_continue=0;void main()/创建互斥信号量g_hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/创建资源信号量g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL););/创建生产者线程createPT();/创建消费者线程createCT();g_hEmptySemaphore=CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL/不按回车键的话程序会一直运行下去/*-*/四、四、总结：总结：主函数结束while(g_continue)/按回车键终止程序if(getchar()g_continue=0;生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。在同一个进程地址空间内执行的两个线程。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。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。