efogbAAA操作系统实验五.pdf

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1、 操作系统 实 验 报 告 课程名称 操作系统实验 实验项目名称 操作系统实验报告物理存储器与进程逻辑地址空间的管理 学号 2011 班级 姓名 型钢 专业 学生所在学院 指导教师 实验室名称地点 哈尔滨工程大学 一、实验概述 1.实验名称 进程的同步 2.实验目的 1.使用EOS的信号量，编程解决生产者消费者问题，理解进程同步的意义。2.调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。3.修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。3.实验类型 验证 二、实验环境 OS Lab 三、实验过程 准备实验 按照下面的步骤准备本次实验：1.启动OS L

2、ab。2.新建一个EOS Kernel项目。3.生成EOS Kernel项目，从而在该项目文件夹中生成SDK文件夹。4.新建一个EOS应用程序项目。5.使用在第3步生成的SDK文件夹覆盖EOS应用程序项目文件夹中的SDK文件夹。使用EOS的信号量解决生产者消费者问题 按照下面的步骤查看生产者消费者同步执行的过程：1.使用文件中的源代码，替换之前创建的EOS应用程序项目中文件内的源代码。2.按F7生成修改后的EOS应用程序项目。3.按F5启动调试。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话框。4.在调试异常对话框中选择“否”，继续执行。5.立即激活虚拟机窗口查看生产者消费者同步执行的过程。6.待应用

3、程序执行完毕后，结束此次调试。调试EOS信号量的工作过程 创建信号量 按照下面的步骤调试信号量创建的过程：1.按F5启动调试EOS应用项目。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话 框。2.在调试异常对话框中选择是，调试会中断。3.在main函数中创建Empty信号量的代码行（第77行）EmptySemaphoreHandle=CreateSemaphore(BUFFER_SIZE,BUFFER_SIZE,NULL);添加一个断点。4.按F5继续调试，到此断点处中断。5.按F11调试进入CreateSemaphore函数。可以看到此API函数只是调用了EOS内核中的PsCreateSemapho

4、reObject函数来创建信号量对象。6.按F11调试进入文件中的PsCreateSemaphoreObject函数。在此函数中，会在EOS内核管理的内存中创建一个信号量对象（分配一块内存），而初始化信号量对象中各个成员的操作是在PsInitializeSemaphore函数中完成的。7.在文件的顶部查找到PsInitializeSemaphore函数的定义（第19行），在此函数的第一行（第39行）代码处添加一个断点。8.按F5继续调试，到断点处中断。观察PsInitializeSemaphore函数中用来初始化信号量结构体成员的值，应该和传入CreateSemaphore函数的参数值是一致的

5、。9.按F10单步调试PsInitializeSemaphore函数执行的过程，查看信号量结构体被初始化的过程。打开调用堆栈窗口，查看函数的调用层次。等待、释放信号量 等待信号量（不阻塞）生产者和消费者刚开始执行时，用来放产品的缓冲区都是空的，所以生产者在第一次调用WaitForSingleObject函数等待Empty信号量时，应该不需要阻塞就可以立即返回。按照下面的步骤调试：1.删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。2.在文件的Producer函数中，等待Empty信号量的代码行（144)WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,INFINI

6、TE);添加一个断点。3.按F5继续调试，到断点处中断。4.WaitForSingleObject 函数最终会调用内核中的PsWaitForSemaphore函数完成等待操作。所以，在文件中PsWaitForSemaphore函数的第一行（第68行）添加一个断点。5.按F5继续调试，到断点处中断。6.按F10单步调试，直到完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作。可以看到此次执行并没有进行等待，只是将Empty信号量的计数减少了1（由10变为了9）就返回了。如图所示,empty的初始值为10。在完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作后empty的值变成了9。释

7、放信号量（不唤醒）1.删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。2.在文件的Producer函数中，释放Full信号量的代码行（第152行）ReleaseSemaphore(FullSemaphoreHandle,1,NULL);添加一个断点。3.按F5继续调试，到断点处中断。4.按F11调试进入ReleaseSemaphore函数。5.继续按F11调试进入PsReleaseSemaphoreObject函数。6.先使用F10单步调试，当黄色箭头指向第269行时使用F11单步调试，进入PsReleaseSemaphore函数。7.按F10单步调试，直到完成PsReleaseSemaphor

8、e函数中的所有操作。可以看到此次执行没有唤醒其它线程（因为此时没有线程在Full信号量上被阻塞），只是将Full信号量的计数增加了1（由0变为了1）。full信号量初始值为0 full信号量由0变为1 生产者线程通过等待Empty信号量使空缓冲区数量减少了1，通过释放Full信号量使满缓冲区数量增加了1，这样就表示生产者线程生产了一个产品并占用了一个缓冲区。等待信号量（阻塞）由于开始时生产者线程生产产品的速度较快，而消费者线程消费产品的速度较慢，所以当缓冲池中所有的缓冲区都被产品占用时，生产者在生产新的产品时就会被阻塞，下面调试这种情况。1.结束之前的调试。2.删除所有的断点。3.按F5重新启

9、动调试。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话框。4.在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。5.在文件中的PsWaitForSemaphore函数的 PspWait(&Semaphore-WaitListHead,INFINITE);代码行（第78行）添加一个断点。6.按F5继续调试，并立即激活虚拟机窗口查看输出。开始时生产者、消费者都不会被信号量阻塞，同步执行一段时间后才在断点处中断。7.中断后，查看“调用堆栈”窗口，有Producer函数对应的堆栈帧，说明此次调用是从生产者线程函数进入的。8.在“调用堆栈”窗口中双击Producer函数所在的堆栈帧，绿色箭头指向等待Empty信号量的代

10、码行，查看Producer函数中变量i的值为14，表示生产者线程正在尝试生产14号产品。9.在“调用堆栈”窗口中双击PsWaitForSemaphore函数的堆栈帧，查看Empty信号量计数（Semaphore-Count）的值为-1，所以会调用PspWait函数将生产者线程放入Empty信号量的等待队列中进行等待（让出CPU）。10.激活虚拟机窗口查看输出的结果。生产了从0到13的14个产品，但是只消费了从0到3的4个产品，所以缓冲池中的10个缓冲区就都被占用了，这与之前调试的结果是一致的。释放信号量（唤醒）只有当消费者线程从缓冲池中消费了一个产品，从而产生一个空缓冲区后，生产者线程才会被唤

11、醒并继续生产14号产品。可以按照下面的步骤调试：1.删除所有断点。2.在文件的Consumer函数中，释放Empty信号量的代码行（第180）ReleaseSemaphor e(EmptySemaphoreHandle,1,NULL);添加一个断点。3.按F5继续调试，到断点处中断。4.查看Consumer函数中变量i的值为4，说明已经消费了4号产品。5.按照中的方法使用F10和F11调试进入PsReleaseSemaphore函数。6.查看PsReleaseSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore-Count）的值为-1，和生产者线程被阻塞时的值是一致的。7.按F10

12、单步调试PsReleaseSemaphore函数，直到在代码行（第132行）PspWakeThread(&Semaphore-WaitListHead,STATUS_SUCCESS);处中断。此时Empty信号量计数的值已经由-1增加为了0，需要调用PspWakeThread函数唤醒阻塞在Empty信号量等待队列中的生产者线程（放入就绪队列中），然后调用PspSchedule函数执行调度，这样生产者线程就得以继续执行。按照下面的步骤验证生产者线程被唤醒后，是从之前被阻塞时的状态继续执行的：1.在文件中PsWaitForSemaphore函数的最后一行（第83行）代码处添加一个断点。2.按F5继

13、续调试，在断点处中断。3.查看PsWaitForSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore-Count）的值为0，和生产者线程被唤醒时的值是一致的。4.在“调用堆栈”窗口中可以看到是由Producer函数进入的。激活Producer函数的堆栈帧，查看Producer函数中变量i的值为14，表明之前被阻塞的、正在尝试生产14号产品的生产者线程已经从PspWait函数返回并继续执行了。5.结束此次调试。修改EOS的信号量算法 修改处代码 运行成功 测试方法 修改完毕后，可以按照下面的方法进行测试：1.使用修改完毕的EOS Kernel项目生成完全版本的SDK文件夹，并覆盖之前

14、的生产者消费者应用程序项目的SDK文件夹。2.按F5调试执行原有的生产者消费者应用程序项目，结果必须仍然与图13-2一致。如果有错误，可以调试内核代码来查找错误，然后在内核项目中修改，并重复步骤1。3.将Producer函数中等待Empty信号量的代码行 WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,INFINITE);替换为 while(WAIT_TIMEOUT=WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,300)printf(Producer wait for empty semaphore timeoutn);4.

15、将Consumer函数中等待Full信号量的代码行 WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,INFINITE);替换为 while(WAIT_TIMEOUT=WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,300)printf(Consumer wait for full semaphore timeoutn);5.启动调试新的生产者消费者项目，查看在虚拟机中输出的结果，验证信号量超时等待功能是否能够正常执行。如果有错误，可以调试内核代码来查找错误，然后在内核项目中修改，并重复步骤1。6.如果超时等待功能已经能够正常执行，

16、可以考虑将消费者线程修改为一次消费两个产品，来测试ReleaseCount参数是否能够正常使用。使用实验文件夹中文件中的Consumer函数替换原有的Consumer函数。四、思考题 1.思考在ps/文件内的PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数中，为什么要使用原子操作可以参考本书第2章中的第节。答：等待和释放操作都是原语操作,在执行等待信号量和释放信号量的时候，不能被打断，所以cpu是不允许响应外部中断的，如果此时 cpu响应了外部中断，中间的某些共用的变量会产生不可预料的变化，无法正常完正常的操作。2.绘制ps/文件内PsWaitForSemapho

17、re和PsReleaseSemaphore函数的流程图。(1)PsWaitForSemaphore 开始INFINITE!=Milliseconds ASSERT(KeGetIntNesting()=0);IntState=KeEnableInterrupts(FALSE);Semphore-Count-;Semphore-Count WaitListHead,INFINITE);KeEnableInterrupts(IntState);return STATUS_SUCCESS;结束ASSERT(FALSE);return STATUS_INVALID_PARAMETER;NoYesYes(

18、2)PsReleaseSemaphore 开始ReleaseCount!=1IntState=KeEnableInterrupts(FALSE);Semaphore-Count+ReleaseCount Semaphore-MaximumCount NULL!=PreviousCount*PreviousCount=Semaphore-Count;Semaphore-Count+;Semaphore-Count WaitListHead,STATUS_SUCCESS);PspSchedule();Status=STATUS_SUCCESSPspSchedule();Status=STATUS_

19、SUCCESS结束Status=STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDEDASSERT(FALSE);return STATUS_INVALID_PARAMETER;NoNoNoYesNoYesYesYesYes 3.根据本实验节中设置断点和调试的方法，练习调试消费者线程在消费第一个产品时，等待Full信号量和释放Empty信号量的过程。注意信号量计数是如何变化的。4.根据本实验节中设置断点和调试的方法，自己设计一个类似的调试方案来验证消费者线程在消费24号产品时会被阻塞，直到生产者线 程生产了24号产品后，消费者线程才被唤醒并继续执行的过程。提示，可以按照下面的步骤进行调

20、试：(1)删除所有的断点。(2)按F5启动调试。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话框。(3)在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。(4)在Consumer函数中等待Full信号量的代码行（第173行）WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,INFINITE);添加一个断点。(5)在“断点”窗口（按Alt+F9打开）中此断点的名称上点击右键。(6)在弹出的快捷菜单中选择“条件”。(7)在“断点条件”对话框（按F1获得帮助）的表达式编辑框中，输入表达式“i=24”。(8)点击“断点条件”对话框中的“确定”按钮。(9)按F5继续调试。只有当消费者线程尝试消费24号产品时才会在该条件断点处中断。五、实验体会 本次实验我学会了使用EOS的信号量，编程解决生产者消费者问题，理解了进程同步的意义。并且修改EOS的信号量算法，使之支 持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。