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生产者-消费者实验1.1实验目的和要求实验目的1.1.1操作系统的基本控制和管理控制都围绕着进程展开，其中的复杂性是由于支持并发和并发机制而引起的。自从操作系统中引入并发程序设计后，程序的执行不再是顺序的，一个程序未执行完而另一个程序便已开始执行，程序外部的顺序特性消失，程序与计算不再一一对应。并发进程可能是无关的，也可能是交互的。然而，交互的进程共享某些变量，一个进程的执行可能会影响其他进程的执行结果，交互的并发进程之间具有制约关系、同步关系。其中典型模型便是生产者-消费者模型。本实验通过编写和调试生产者-消费者模拟程序，进一步认识进程并发执行的实质，加深对进程竞争关系，协作关系的理解，掌握使用信号量机制与P、V操作来实现进程的同步与互斥。实验要求1.1.21．用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行，并采用信号量机制与P、V操作实现进程间同步与互斥。2．撰写实验报告，报告应包含以下内容：（1）实验目的；（2）实验内容；（3）设计思路；（4）程序流程图；（5）程序中主要数据结构和函数说明；（6）带注释的源程序代码；（7）程序运行结果及分析；（8）实验收获与体会。1.2预备知识生产者—消费者问题1.2.1生产者—消费者问题表述如下：如图3.1所示，有n个生产者和m个消费者，连接在具有k个单位缓冲区的有界环状缓冲上，故又称有界缓冲问题。生产者不断生成产品，只要缓冲区未满，生产者进程pi所生产的产品就可投入缓冲区；类似的，只要缓冲区非空，消费者进程cj就可以从缓冲区取走并消耗产品。图3.1生产者—消费者问题示意图著名的生产者—消费者问题（producer-consumerproblem）是计算机操作系统中并发进程内在关系的一种抽象，是典型的进程同步问题。在操作系统中，生产者进程可以是计算进程、发送进程，而消费者进程可以是打印进程、接收进程等，解决好生产者—消费者问题就解决了一类并发进程的同步问题。操作系统实现进程同步的机制称为同步机制，它通常由同步原语组成。不同的同步机制采用不同的同步方法，迄今已设计出多种同步机制，本实验采用最常用的同步机制：信号量及PV操作。信号量与PV操作1.2.21965年，荷兰计算机科学家E.W.Dijkstra提出新的同步工具——信号量和PV操作，他将交通管制中多种颜色的信号灯管理方法引入操作系统，让多个进程通过特殊变量展开交互。一个进程在某一关键点上被迫停止直至接收到对应的特殊变量值，通过这一措施任何复杂的进程交互要求均可得到满足，这种特殊变量就是信号量（semaphore）。为了通过信号量传送信号，进程可利用P和V两个特殊操作来发送和接收信号，如果协作进程的相应信号仍未到达，则进程被挂起直至信号到达为止。在操作系统中用信号量表示物理资源的实体，它是一个与队列有关的整型变量。具体实现时，信号量是一种变量类型，用一个记录型数据结构表示，有两个分量：一个是信号量的值，另一个是信号量队列的指针。信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。除了赋初值之外，信号量仅能由同步原语PV对其操作，不存在其他方法可以检查或操作信号量，PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。利用信号量和PV操作即可解决并发进程竞争问题，又可解决并发进程协作问题。信号量按其用途可分为两种：公用信号量，联系一组并发进程，相关进程均可在此信号量上执行PV操作，用于实现进程互斥；私有信号量，联系一组并发进程，仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作，而其他相关进程可在其上执行V操作，初值往往为0或正整数，多用于并发进程同步。信号量的定义为如下数据结构：typedefstructsemaphore{intvalue;//信号量的值structpcb*list;//信号量队列的指针}信号量说明：semaphores;P、V操作原语描述如下：（1）P(s)：s.value--；若s.value≥0，则执行P(s)的进程继续执行；若s.value0，则执行P(s)的进程被阻塞，并把它插入到等待信号量s的阻塞队列中。（2）V(s)：s.value++；若s.value≤0，则执行V(s)的进程从等待信号量s的阻塞队列中唤醒头一个进程，然后自己继续执行。若s.value0，则执行V(s)的进程继续执行；信号量实现互斥1.2.3信号量和PV操作可用来解决进程互斥问题。为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源设置一互斥信号量mutex，并置初值为1，然后将各进程访问该资源的临界区置于P(mutex)和V(mutex)操作之间即可。用信号量和PV操作管理并发进程互斥进入临界区的一般形式为：semaphoremutex;mutex=1;cobeginprocessPi()/*i=1,2,…，n*/{P(mutex);/*临界区*/V(mutex);}coend当有进程在临界区中时，mutex的值为0或负值，否则mutex值为1，因为只有一个进程，可用P操作把mutex减至0，故可保证互斥操作，这时试图进入临界区的其它进程会因执行P(mutex)而被迫等待。mutex的取值范围是1~-(n-1)，表明有一个进程在临界区内执行，最多有n-1个进程在信号量队列中等待。信号量解决生产者—消费者问题1.2.4信号量和PV操作不仅可以解决进程互斥问题，而且是实现进程同步的有力工具。在协作进程之间，一个进程的执行依赖于协作进程的信息或消息，在尚未得到来自协作进程的信号或消息时等待，直至信号或消息到达时才被唤醒。生产者—消费者问题是典型的进程同步问题，对于生产者进程：生产一个产品，当要送入缓冲区时，要检查是否有空缓冲区，若有，则可将产品送入缓冲区，并通知消费者进程；否则，等待；对于消费者进程：当它去取产品时，要看缓冲区中是否有产品可取，若有则取走一个产品，并通知生产者进程，否则，等待。这种相互等待，并互通信息就是典型的进程同步。因此应该设两个同步信号量：信号量empty表示可用的空缓冲区的数目，初值为k；信号量full表示可以使用产品的数目，初值为０。缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为１。用信号量机制解决生产者—消费者问题可描述如下：itemB[k];semaphoreempty;empty=k;//可以使用的空缓冲区数semaphorefull;full=0;//缓冲区内可以使用的产品数semaphoremutex;mutex=1;//互斥信号量intin=0;//放入缓冲区指针intout=0;//取出缓冲区指针cobeginprocessproducer_i()processconsumer(){{While(true)While(true){{produce();P(full);P(empty);P(mutex);P(mutex);takefromB[out];appendtoB[in];out=(out+1)%k;in=(in+1)%k;V(mutex);V(mutex);V(empty);V(full);consume();}}}}Coend程序中的P(mutex)和V(mutex)必须成对出现，夹在两者之间的代码段是临界区；施加于信号量empty和full上的PV操作也必须成对出现，但分别位于不同的程序中。在生产者消费者问题中，P操作的次序是很重要的，如果把生产者进程中的两个P操作交换次序，那么，当缓冲区中存满k件产品时，生产者又生产一件产品，在它欲向缓冲区存放时，将在P(empty)上等待，由于此时mutex=0，它已经占有缓冲区，这时消费者预取产品时将停留在P(mutex)上而得不到使用缓冲区的权力。这就导致生产者等待消费者取走产品，而消费者却在等待生产者释放缓冲区的占有权，这种互相之间的等待永远不可能结束。所以，在使用信号量和PV操作实现进程同步时，特别要当心P操作的次序，而V操作的次序无关紧要。一般来说，用于互斥的信号量上的P操作总是在后面执行。1.3生产者消费者问题模拟实现实验内容1.3.1考虑一个系统中有n个进程，其中部分进程为生产者进程，部分进程为消费者进程，共享具有k个单位的缓冲区。现要求用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行的过程，并采用信号量机制与P、V操作实现生产者进程和消费者进程间同步以及对缓冲区的互斥访问。利用信号量机制解决此问题的算法见3.2.4所示。实验指导1.3.21．设计提示（1）本实验并不需要真正创建生产者和消费者进程，每个进程用一个进程控制块（PCB）表示。PCB数据结构如下：typedefstructProcess//进程PCB{charname[10];//进程名introleFlag;//进程类型（1：生产者0:消费者）intcurrentState;//进程状态（1:可运行态0:阻塞态）intcurrentStep;//断点intdata;//临时数据intcode;//进程编号}Process;（2）程序中应指定缓冲区的数目，进程总个数等，现考虑共有4个生产者和消费者进程，缓冲区数目是两个，定义如下所示：#definedataBufferSize2//缓冲区数目#defineprocessNum4//进程数量(生产者、消费者进程总数目)structDataBuffer//缓冲区{intbuffer[dataBufferSize];intcount;//当前产品数量}dataBuffer;（3）为解决生产者-消费者问题需设两个同步信号量：信号量empty表示可用的空缓冲区的数目，初值为缓冲区数目；信号量full表示可以使用产品的数目，初值为０。缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为１。信号量定义和说明如下所示：typedefstructSeamphore//信号量{intvalue;//信号量的值int*pcq;//信号量队列指针}Seamphore;intproducerCongestionQueue[processNum];//等待信号量empty的阻塞队列intconsumerCongestionQueue[processNum];//等待信号量full的阻塞队列intshareCongestionQueue[processNum];//等待信号量mutex的阻塞队列Seamphoreempty={dataBufferSize,producerCongestionQueue};Seamphorefull={0,consumerCongestionQueue};Seamphoremutex={1,shareCongestionQueue};（4）为模拟多个生产者和多个消费者进程并发执行的过程，首先根据进程总个数产生若干生产者和若干消费者进程，然后随机调度一个处于就绪态的进程，判断是生产者还是消费者，然后执行不同的代码，为模拟并发执行，进程每执行一步操作就中断执行，再调度其他进程运行，在被中断进程的PCB中记录了中断的位置，等到下次被调度执行时则从此位置继续执行。（5）生产者进程执行时分为6步，如下所示：voidproduce(Process*p)//生产者进程执行代码{switch(p-currentStep){case1://1生产产品p-data=rand()%1000;printf(%20s:生产一个产品%d!\n,p-name,p-data);p-currentStep++;break;case2://2申请空缓冲区P(&empty,p);break;case3://3申请访问缓冲区P(&mutex,p);break;case4://4将产品送入缓冲区push(p-data);printf(%20s:将产品%d正送入缓冲区!\n,p-name,p-data);p-currentStep++;break;case5://5释放缓冲区访问权V(&mutex,p);break;cas