实验四___同步机构

实验四同步机构一、实验内容模拟实现用同步机构避免并发进程执行时可能出现的与时间有关的错误。二、实验目的进程是程序在一个数据集合上运行的过程，进程是并发执行的，也即系统中的多个进程轮流地占用处理器运行。我们把如干个进程都能进行访问和修改地那些变量成为公共变量。由于进程是并发执行的，所以，如果对进程访问公共变量不加限制，那么就会产生“与时间有关”的错误，即进程执行后，所得到的结果与访问公共变量的时间有关。为了防止这类错误，系统必须要用同步机构来控制进程对公共变量的访问。一般说，同步机构是由若干条原语——同步原语——所组成。本实验要求学生模拟PV操作同步机构的实现，模拟进程的并发执行，了解进程并发执行时同步机构的作用。三、实验题目模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。[提示]：(1)PV操作同步机构，由P操作原语和V操作原语组成，它们的定义如下：P操作原语P(s)：将信号量s减去1，若结果小于0，则执行原语的进程被置成等待信号量s的状态。V操作原语V(s)：将信号量s加1，若结果不大于0，则释放一个等待信号量s的进程。这两条原语是如下的两个过程：procedurep(vars:semaphore);begins:=s-1;ifs0thenW(s)end{p}procedurev(vars:semaphore);begins:=s+1;ifs=0thenR(s)end{V}其中W(s)表示将调用过程的进程置为等待信号量s的状态；R(s)表示释放一个等待信号量s的进程。在系统初始化时应把semaphore定义为某个类型，为简单起见，在模拟实验中可把上述的semaphore直接改成integer。（2）生产者——消费者问题。假定有一个生产者和消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。消费者每次从缓冲器内取出一件产品去消费。禁止生产者将产品放入已满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。假定缓冲器内可同时存放10件产品。那么，用PV操作来实现生产者和消费者之间的同步，生产者和消费者两个进程的程序如下：B:array[0..9]ofproducts;s1,s2:semaphore;IN,out;integer;IN:=0;out:=0;cobeginprocedureproducer;c:products;beginL1:produce(c);p(s1);B[IN]:=C;IN:=(IN+1)mod10;v(s2);gotoL1end;procedureconsumer;x:products;beginL2:P(s2);x:=B[out;out:=(out+1)mod10;v(s1);consume(x);gotoL2end;coend其中的semaphore和products是预先定义的两个类型，在模拟实现中semaphore用integer或char等代替。（3）进程控制块PCB。为了纪录进程执行时的情况，以及进程让出处理器后的状态，断点等信息，每个进程都有一个进程控制块PCB。在模拟实验中，假设进程控制块的结构如图4-1。其中进程的状态有：运行态、就绪态、等待态和完成态。当进程处于等待态时，在进程控制块PCB中要说明进程等待原因（在模拟实验中进程等待原因为等待信号量s1或s2）；当进程处于等待态或就绪态时，PCB中保留了断点信息，一旦进程再度占有处理器则就从断点位置继续运行；当进程处于完成状态，表示进程执行结束。图4-1进程控制块结构（4）处理器的模拟。计算机硬件提供了一组机器指令，处理器的主要职责是解释执行机器指令。为了模拟生产者和消费者进程的并发执行，我们必须模拟一组指令和处理器职能。模拟的一组指令见图4-2，其中每条指令的功能由一个过程来实现。用变量PC来模拟“指令计数器”，假设模拟的指令长度为1，每执行一条模拟指令后，PC加1，指出下一条指令地址。使用模拟的指令，可把生产者和消费者进程的程序表示为图4-3的形式。定义两个一维数组PA[0..4]和SA[0..4],每一个PA[i]存放生产者程序中的一条模拟指令执行的入口地址；每个SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。于是模拟处理器执行一条指令的过程为：取出PC之值，按PA[PC]或SA[PC]得模拟指令执行的入口地址，将PC之值加1，转向由入口地址确定的相应的过程执行。（5）程序设计本实验中的程序由三部分组成：初始化程序、处理器调度程序、模拟处理器指令执行程序。各部分程序的功能及相互间的关系由图4-4至图4-7指出。进程名状态等待原因断点模拟的指令功能P(s)执行P操作原语V(s)执行v操作原语putB[IN]:=product;IN:=(IN+1)mod10GETX:=B[out];out:=(out+1)mod10produce输入一个字符放入C中consume打印或显示x中的字符GOTOLPC:LNOP空操作图4-2模拟的处理器指令序号生产者程序消费者程序0produceP(s2)1P(s1)GET2PUTV(s1)3V(s2)consume4goto0gotoo图4-3生产者和消费者程序初始化程序：模拟实验的程序从初始化程序入口启动，初始化工作包括对信号量S1、S2赋初值，对生产者、消费者进程的PCB初始化。初始化后转向处理器调度程序，其流程如图4-4开始初始化信号量S1，S2S1:=10，S2:=0生产者和消费者进程的PCB中状态为就绪，断点为0将现行进程置为生产者进程，PC:=0处理器调度程序结束图4-4初始化流程处理器调度程序：在计算机系统中，进程并发执行时，任一进程占用处理器执行完一条指令后就有可能被打断而让出处理器由其他进程运行。故在模拟系统中也类似处理，每当执行一条模拟的指令后，保护当前进程的现场，让它成为非运行状态，由处理器调度程序按随机数再选择一个就绪进程占用处理器运行。处理器调度程序流程见图4-5。开始保护现场，PC=当前进程PCB的断点否有就绪进程？结束是随即选择—就绪进程作为现行进程将现行进程状态改为运行态现行进程PCB的断点值=PC模拟处理器指令执行程序图4-5处理器调度程序流程模拟处理器指令执行程序：按“指令计数器”PC之值执行指定的质量，且PC加1指向下一条指令。模拟处理器指令执行的程序流程见图4-6和4-7。是现行进否程为生产j:=PA[i]j:=SA[i]P(s)GOT空操作PutGETproduceconsumV(s)开始开始S←S+1S←S-1否否S0S0是是将调用P(s)过程找一个等待s信号量将调用P(s)过程的的进程置为就绪的进程置为就绪态进程置为等待信号量s的状态将调用V(s)过程的进程置为就绪返回返回（1）模拟P（S）（2）模拟V（S）另外，为了使得模拟程序有一个结束条件，在图4-6中附加了“生产者运行结束”的条件判断，模拟时可以采取人工选择的方法实现。图4-7给出了P（S）和V（S）模拟指令执行过程的流程。其他模拟指令的执行过程已在图4-2中指出。四、数据结构//进程控制块structPCB{PCB*next;//指向下一个结点的指针stringPro_Name;//进程名stringstate;//状态stringWaiting_Reason;//等待原因intBreaking_Point;//断点}produce,consume,*run,*ready;//生产者进程、消费者进程、现行进程、就绪进程ints1=10,s2=0,PC;//初始化两个信号量、指令计数器intPA[5],SA[5],IN=0,OUT=0;//每一个PA[i]存放生产者程序中的一条模拟指令执行的入口地址//每个SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。charproduct='',B[10],X='';//生产产品、缓冲器五、源程序#includeiostream#includestring#includectimeusingnamespacestd;//进程控制块structPCB{PCB*next;//指向下一个结点的指针stringPro_Name;//进程名stringstate;//状态stringWaiting_Reason;//等待原因intBreaking_Point;//断点}produce,consume,*run,*ready;//生产者进程、消费者进程、现行进程、就绪进程ints1=10,s2=0,PC;//初始化两个信号量、指令计数器intPA[5],SA[5],IN=0,OUT=0;//每一个PA[i]存放生产者程序中的一条模拟指令执行的入口地址//每个SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。charproduct='',B[10],X='';//生产产品、缓冲器//初始化程序voidInit(){for(inti=0;i5;i++){PA[i]=i;SA[i]=i;//给两个一维数组赋值}produce.Pro_Name=produce;consume.Pro_Name=consume;produce.state=就绪;consume.state=就绪;//生产者和消费者进程的PCB中状态为就绪produce.Breaking_Point=0;consume.Breaking_Point=0;//断点为0PC=0;}//处理器调度程序voidPro_Scheduling(){if(produce.state==就绪&&consume.state==就绪)//都为就绪进程{srand((unsigned)time(NULL));inta=rand()%2;//0或1的随机数if(a){run=&produce;ready=&consume;//将生产者设为现行进程，消费者为等待进程}else{run=&consume;ready=&produce;//将消费者设为现行进程，生产者为等待进程}}elseif(produce.state==就绪&&consume.state==等待)//只有生产者进程就绪，执行生产者{run=&produce;ready=&consume;}elseif(produce.state==等待&&consume.state==就绪)//只有消费者进程就绪，执行消费者{run=&consume;ready=&produce;}PC=run-Breaking_Point;//保护现场}//模拟处理器指令执行程序voidImit(){if(run-Pro_Name==produce)//现行进程为生产者{intj=PA[PC++];switch(j){case0://producecout请输入一个字符：;cinproduct;break;case1://P(s1)s1--;if(s10){run-state=等待;run-Waiting_Reason=s1;cout生产者等待原因为：run-Waiting_Reasonendl;}elserun-state=就绪;break;case2://PUTB[IN]=product;IN=(IN+1)%10;cout缓冲器中的字符为：;for(inti=0;i10;i++){coutB[i];}coutendl;break;case3://V(s2)s2++;if(s20)ready-state=就绪;elserun-state=就绪;break;case4://GOTO1PC=0;break;}run-Breaking_Point=PC;}else//现行进程为消费者{intj=SA[PC++];switch(j){case0://P(s2)s2--;if(s20){run-state=等待;run-Waiting_Reason=s1;cout消费者等待原因为：run-Waiting_Reasonendl;}elserun-