操作系统实验进程的同步

1、操作系统实 验 报 告课程名称操作系统实验课程编号实验项目名称进程的同步学号年级姓名专业学生所在学院指导教师实验室名称地点 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院第四讲 进程的同步一、实验概述1. 实验名称进程的同步2. 实验目的l 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。l 调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。l 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. 实验类型验证设计4. 实验内容（1）准备实验（2）使用EOS的信号量解决生产者消费者问题（3）调试EOS信号量的工作过程（4）修改EOS的信号量算法二、

2、实验环境EOS操作系统和OS Lab集成实验环境，主要运用了C语言。三、实验过程3. 需要解决的问题及解答(1)P143，生产者在生产了13号产品后本来要继续生产14号产品，可此时生产者为什么必须等待消费者消费了4号产品后，才能生产14号产品呢？生产者和消费者是怎样使用同步对象来实现该同步过程的呢？这是因为临界资源的限制。临界资源就像产品仓库，只有“产品仓库”空闲生产者才能生产东西，有权向里面放东西。因此它必须要等到消费者，取走产品，临界资源空闲时，才能继续生产14号产品。（2）P147-四思考与练习-2. 绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsRel

3、easeSemaphore函数的流程图。函数开始开始原子操作信号量减一信号量小于0？线程进入阻塞队列原子操作完成函数结束函数开始开始原子操作记录当前信号量的值Semaphore-Count+ReleaseCountSemmaphore-MaxinCount信号量加1Semaphore-Count= 0 & InitialCount 0);Semaphore-Count = InitialCount;Semaphore-MaximumCount = MaximumCount;ListInitializeHead(&Semaphore-WaitListHead);STATUSPsWaitForSe

4、maphore(IN PSEMAPHORE Semaphore,IN INT Milliseconds,IN STATUS i)/*+功能描述：信号量的 Wait 操作（P 操作）。参数：Semaphore - Wait 操作的信号量对象。 Milliseconds - 等待超时上限，单位毫秒。返回值： STATUS_SUCCESS。-*/BOOL IntState;ASSERT(KeGetIntNesting() = 0); / 中断环境下不能调用此函数。IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); / 开始原子操作，禁止中断。/ 目前仅实现了标准记录型信号量，

5、不支持超时唤醒功能，所以 PspWait 函数的第二个参数的值只能是 INFINITE。if(Semaphore-Count 0) Semaphore-Count-; i=STATUS_SUCCESS;else i=PspWait(&Semaphore-WaitListHead,Milliseconds );KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。 return i;STATUSPsReleaseSemaphore(IN PSEMAPHORE Semaphore，IN LONG ReleaseCount,OUT PLONG PreviousCou

6、nt)/*+功能描述：信号量的 Signal 操作（V 操作）。参数：Semaphore - Wait 操作的信号量对象。 - 信号量计数增加的数量。当前只能为 1。当你修改信号量使之支持超时唤醒功能后，此参数的值能够大于等于 1。 PreviousCount - 返回信号量计数在增加之前的值。返回值：如果成功释放信号量，返回 STATUS_SUCCESS。-*/STATUS Status;BOOL IntState;IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); / 开始原子操作，禁止中断。if (Semaphore-Count + ReleaseCount Se

7、maphore-MaximumCount) Status = STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED; else if (NULL != PreviousCount) *PreviousCount = Semaphore-Count; INT j=Semaphore-Count;while(!ListIsEmpty(&Semaphore-WaitListHead)&(ReleaseCount) PspWakeThread(&Semaphore-WaitListHead, STATUS_SUCCESS); PspThreadSchedule(); ReleaseCount

8、-; Semaphore-Count=j+ReleaseCount;Status = STATUS_SUCCESS;KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。return Status;POBJECT_TYPE PspSemaphoreType = NULL;/ 用于初始化 semaphore 结构体的参数结构体。typedef struct _SEM_CREATE_PARAMLONG InitialCount;LONG MaximumCount;SEM_CREATE_PARAM, *PSEM_CREATE_PARAM;/ semaphore 对象

9、的构造函数，在创建新 semaphore 对象时被调用。VOIDPspOnCreateSemaphoreObject(IN PVOID SemaphoreObject,IN ULONG_PTR CreateParam)PsInitializeSemaphore( (PSEMAPHORE)SemaphoreObject, (PSEM_CREATE_PARAM)CreateParam)-InitialCount, (PSEM_CREATE_PARAM)CreateParam)-MaximumCount );/ semaphore 对象类型的初始化函数。/VOIDPspCreateSemaphore

10、ObjectType(VOID)STATUS Status;OBJECT_TYPE_INITIALIZER Initializer;Initializer.Create = PspOnCreateSemaphoreObject;Initializer.Delete = NULL;Initializer.Wait = (OB_WAIT_METHOD)PsWaitForSemaphore;Initializer.Read = NULL;Initializer.Write = NULL;Status = ObCreateObjectType(SEMAPHORE, &Initializer, &Psp

11、SemaphoreType);if (!EOS_SUCCESS(Status) KeBugCheck(Failed to create semaphore object type!); / semaphore 对象的构造函数。/STATUSPsCreateSemaphoreObject(IN LONG InitialCount,IN LONG MaximumCount,IN PSTR Name,OUT PHANDLE SemaphoreHandle) STATUS Status;PVOID SemaphoreObject;SEM_CREATE_PARAM CreateParam;if(Init

12、ialCount 0 | MaximumCount MaximumCount)return STATUS_INVALID_PARAMETER;/ 创建信号量对象。CreateParam.InitialCount = InitialCount;CreateParam.MaximumCount = MaximumCount;Status= ObCreateObject( PspSemaphoreType, Name, sizeof(SEMAPHORE), (ULONG_PTR)&CreateParam &SemaphoreObject);if (!EOS_SUCCESS(Status) retur

13、n Status;Status = ObCreateHandle(SemaphoreObject, SemaphoreHandle);if (!EOS_SUCCESS(Status) ObDerefObject(SemaphoreObject);return Status;/ semaphore 对象的 signal 操作函数。/STATUSPsReleaseSemaphoreObject(IN HANDLE Handle,IN LONG ReleaseCount,IN PLONG PreviousCount)STATUS Status;PSEMAPHORE Semaphore;if (Rel

14、easeCount 1) return STATUS_INVALID_PARAMETER;/ 由 semaphore 句柄得到 semaphore 对象的指针。Status = ObRefObjectByHandle(Handle, PspSemaphoreType, (PVOID*)&Semaphore);if (EOS_SUCCESS(Status) Status = PsReleaseSemaphore(Semaphore, ReleaseCount, PreviousCount);ObDerefObject(Semaphore);return Status;#include EOSAp

15、p.h/ 缓冲池。#define BUFFER_SIZE10int BufferBUFFER_SIZE;/ 产品数量。#define PRODUCT_COUNT30/ 用于生产者和消费者同步的对象句柄。HANDLE MutexHandle;HANDLE EmptySemaphoreHandle;HANDLE FullSemaphoreHandle;/ 生产者和消费者的线程函数ULONG Producer(PVOID Param);ULONG Consumer(PVOID Param);/ main 函数参数的意义：/ argc - argv 数组的长度，大小至少为 1，argc - 1 为命令

16、行参数的数量。/ argv - 字符串指针数组，数组长度为命令行参数个数 + 1。其中 argv0 固定指向当前进程所执行的可执行文件的路径/符串，argv1 及其后面的指针指向各个命令行参数。int main(int argc, char* argv)HANDLE ProducerHandle;HANDLE ConsumerHandle;#ifdef _DEBUG_asm(int $3n nop);#endif/ 创建用于互斥访问缓冲池的 Mutex 对象。MutexHandle = CreateMutex(FALSE, NULL);if (NULL = MutexHandle) retur

17、n 1;/ 创建 Empty 信号量，表示缓冲池中空缓冲区数量。初始计数和最大计数都为 BUFFER_SIZE。EmptySemaphoreHandle = CreateSemaphore(BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE, NULL);if (NULL = EmptySemaphoreHandle) return 2;/ 创建 Full 信号量，表示缓冲池中满缓冲区数量。初始计数为 0，最大计数为 BUFFER_SIZE。FullSemaphoreHandle = CreateSemaphore(0, BUFFER_SIZE, NULL);if (NULL = FullSem

18、aphoreHandle) return 3;/ 创建生产者线程。ProducerHandle = CreateThread( 0, / 默认堆栈大小 Producer,/ 线程函数入口地址 NULL,/ 线程函数参数 0,/ 创建标志 NULL );/ 线程 IDif (NULL = ProducerHandle) return 4;/ 创建消费者线程。ConsumerHandle = CreateThread( 0,Consumer,NULL,0,NULL );if (NULL = ConsumerHandle) return 5;/ 等待生产者线程和消费者线程结束。WaitForSing

19、leObject(ProducerHandle, INFINITE);WaitForSingleObject(ConsumerHandle, INFINITE);/ 关闭句柄CloseHandle(MutexHandle);CloseHandle(EmptySemaphoreHandle);CloseHandle(FullSemaphoreHandle);CloseHandle(ProducerHandle);CloseHandle(ConsumerHandle);return 0;/ 生产者线程函数。ULONG Producer(PVOID Param) int i;int InIndex

20、= 0;for (i = 0; i PRODUCT_COUNT; i+) while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, 300) printf(Producer wait for empty semaphore timeoutn); WaitForSingleObject(MutexHandle, INFINITE);printf(Produce a %dn, i);BufferInIndex = i;InIndex = (InIndex + 1) % BUFFER_SIZE;ReleaseMutex(MutexH

21、andle);ReleaseSemaphore(FullSemaphoreHandle, 1, NULL);/ 休息一会。每 500 毫秒生产一个数。Sleep(500);return 0;/ 消费者线程函数。ULONG Consumer(PVOID Param)int i;int OutIndex = 0;for (i = 0; i PRODUCT_COUNT; i+) while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, 300) printf(Consumer wait for full semaphore timeo

22、utn); WaitForSingleObject(MutexHandle, INFINITE);printf(tttConsume a %dn, BufferOutIndex);OutIndex = (OutIndex + 1) % BUFFER_SIZE;ReleaseMutex(MutexHandle);ReleaseSemaphore(EmptySemaphoreHandle, 1, NULL);/ 休息一会儿。让前 10 个数的消费速度比较慢，后面的较快。if (i 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）

23、。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。3.3.2.4 释放信号量（唤醒） 1. 删除所有断点。 2.在eosapp.c文件的Consumer函数中，释放Empty信号量的代码行（第180行）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3.3.2.2中的方法使用F10和F11调试进入PsReleaseSemaphore函数。 6. 查看PsReleaseSemaphore函

24、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semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的最后一行代码处添加一个断点。 2. 按F5继续调试，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