操作系统实验--进程的同步heu

1、操作系统实 验 报 告课程名称操作系统实验课程编号0906553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六讲 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（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 的信号量的工作过程，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. 实验类型验证型实验，设计性实验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 E

2、OS 信号量的工作过程1）创建信号量 2）等待释放信号量 3）等待信号量（不阻塞） 4）释放信号量（不唤醒） 5) 等待信号量（阻塞） 6) 释放信号量（唤醒）（4）修改 EOS 的信号量算法 二、实验环境操作系统集成实验环境OS Lab三、实验过程1. 设计思路和流程图2. 算法实现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？答：此时生产了0-13号14个产品，消费了0-3号4个产品，缓冲区都占满了。只有缓冲区有空闲

3、生产者才能生产东西，有权向里面放东西。所以它必须等到消费者，取走产品，有空闲缓冲区时，才继续生产14号产品。(2). P145-3.4 修改EOS的信号量算法(只看一次消费1个产品的，一次消费2个产品的可以写到实验报告中)答：见三，四部分(3). 思考在ps/semaphore.c文件内的PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数中，为什么要使用原子操作？ 答：原子操作要求一旦开始就要运行到结束，不能有中断。在执行等待信号量和释放信号量的时候，不允许cpu响应外部中断，所以使用原子操作。(4). 绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSem

4、aphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。原子操作前关中断PsWaitForSemaphore开始原子操作P操作NWait操作的信号量大于0Y执行P操作P操作结束Ps Release Semaphore原子操作前关中断开始原子操作V操作NP和V操作的信号量之和大于缓冲队列长度Y记录当前信号量的值返回“信号数目量超出范围”释放信号量信号量值+1NP操作控制的信号量不大于0N被阻塞进程量小于要释放的信号量Y唤醒等待进程Y唤醒队列中进程N等待队列为空Y返回“唤醒成功”结束4. 主要数据结构、实现代码及其说明1)修改PsWaitForSemaphore函数if (Semaphor

5、e->Count>0)Semaphore->Count-;flag=STATUS_SUCCESS;/如果信号量大于零，说明尚有资源，可以为线程分配else flag=PspWait(&Semaphore->WaitListHead, Milliseconds);KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。return flag;/否则，说明资源数量不够，不能再为线程分配资源，因此要使线程等待2)修改PsReleaseSemaphore函数if (Semaphore->Count + ReleaseCount &g

6、t; Semaphore->MaximumCount) Status = STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED; else / 记录当前的信号量的值。/if (NULL != PreviousCount) *PreviousCount = Semaphore->Count;int mm=Semaphore->Count;/ 目前仅实现了标准记录型信号量，每执行一次信号量的释放操作/ 只能使信号量的值增加 1。/while (!ListIsEmpty(&Semaphore->WaitListHead)&&(ReleaseC

7、ount)PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead, STATUS_SUCCESS);PspThreadSchedule();ReleaseCount-;Semaphore->Count=mm+ReleaseCount;/ 可能有线程被唤醒，执行线程调度。/Status = STATUS_SUCCESS;5. 源程序并附上注释#include "psp.h"VOIDPsInitializeSemaphore(IN PSEMAPHORE Semaphore,IN LONG InitialCount,IN LONG Max

8、imumCount)/*+功能描述：初始化信号量结构体。参数：Semaphore - 要初始化的信号量结构体指针。InitialCount - 信号量的初始值，不能小于 0 且不能大于 MaximumCount。MaximumCount - 信号量的最大值，必须大于 0。返回值：无。-*/ASSERT(InitialCount >= 0 && InitialCount <= MaximumCount && MaximumCount > 0);Semaphore->Count = InitialCount;Semaphore->Max

9、imumCount = MaximumCount;ListInitializeHead(&Semaphore->WaitListHead);STATUSPsWaitForSemaphore(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。当你修改信号量使之支持超时唤醒功能后，如果等待超时，应该返回 STATUS_TI

10、MEOUT。-*/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，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->WaitListHe

11、ad,Milliseconds ); KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢复中断。 return i;STATUSPsReleaseSemaphore(IN PSEMAPHORE Semaphore,IN LONG ReleaseCount,OUT PLONG PreviousCount)/*+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。ReleaseCount - 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。Previous

12、Count - 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 > Semaphore->MaximumCount) Status = STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED; else / 记录当前的信号量的值。/if (NULL != PreviousCount) *P

13、reviousCount = Semaphore->Count; INT j=Semaphore->Count;/ 目前仅实现了标准记录型信号量，每执行一次信号量的释放操作/ 只能使信号量的值增加 1。/while(!ListIsEmpty(&Semaphore->WaitListHead)&&(ReleaseCount) PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead, STATUS_SUCCESS); PspThreadSchedule(); ReleaseCount-; Semaphore->Co

14、unt=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 对象的构造函数，在创建新 sem

15、aphore 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。/VOIDPspCreateSemaphoreObjec

16、tType(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", &Initia

17、lizer, &PspSemaphoreType);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

18、_PARAM CreateParam;if(InitialCount < 0 | MaximumCount <= 0 | InitialCount > 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)

19、&CreateParam, &SemaphoreObject);if (!EOS_SUCCESS(Status) return 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 ReleaseC

20、ount,IN PLONG PreviousCount)STATUS Status;PSEMAPHORE Semaphore;if (ReleaseCount < 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, Rel

21、easeCount, PreviousCount);ObDerefObject(Semaphore);return Status;6. 程序运行时的初值和运行结果（1）准备实验1）启动 OS Lab。 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。 （2）使用 EOS 的信号量解决生产者消费者问题1）使用 pc.c 文件中的源代码，替换之前创建的 EOS 应用程序项目中 EOSApp

22、.c 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）待应用程序执行完毕后，结束此次调试。 （3）调试 EOS 信号量的工作过程1）创建信号量按 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。在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。在 main 函数中创建 Empty 信号量的代码行（第 77 行） EmptySemaphoreHandle = CreateSema

23、phore(BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE, NULL); 添加一个断点。按 F5 继续调试，到此断点处中断。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PsCreateSemaphoreObject 函数来创建信号量对象。按 F11 调试进入 semaphore.c 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

24、成的。在 semaphore.c 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。 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。 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。 2）等待信号量（不阻塞）删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。 在

25、 eosapp.c 文件的 Producer 函数中，等待 Empty 信号量的代码行（第 144 行） WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, INFINITE); 添加一个断点。 按 F5 继续调试，到断点处中断。 WaitForSingleObject 函数最终会调用内核中的 PsWaitForSemaphore 函数完成等待操作。所以，在 semaphore.c 文件中 PsWaitForSemaphore 函数的第一行（第 68 行）添加一个断点。 按 F5 继续调试，到断点处中断。 按 F10 单步调试，直到完成 PsWaitForSem

26、aphore 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。 3）释放信号量（不唤醒）删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。 在 eosapp.c 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。 按 F5 继续调试，到断点处中断。 按 F11 调试进入 ReleaseSemaphore 函数。 继续按 F11 调试进入 PsReleaseSemaphoreObj

27、ect 函数。 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。 按 F10 单步调试，直到完成 PsReleaseSemaphore 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）。 4）等待信号量（阻塞）结束之前的调试。 删除所有的断点。 按 F5 重新启动调试。OS Lab 会首先弹出一个调试异常对话框。 在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。 在 semaphore.c 文件中的 PsWa

28、itForSemaphore 函数的 PspWait(&Semaphore->WaitListHead, INFINITE); 代码行（第 78 行）添加一个断点。 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。 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。 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

29、生产 14 号产品。 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）。 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。 5）释放信号量（唤醒）删除所有断点。 在 eosapp.c 文件的 Consumer 函数中，释放 E

30、mpty 信号量的代码行（第 180 行） ReleaseSemaphore(EmptySemaphoreHandle, 1, NULL); 添加一个断点。 按 F5 继续调试，到断点处中断。 查看 Consumer 函数中变量 i 的值为 4，说明已经消费了 4 号产品。 按照 3.3.2.2 中的方法使用 F10 和 F11 调试进入 PsReleaseSemaphore 函数。 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。 按 F10 单步调试 PsReleaseSema

31、phore 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。6）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： 在 semaphore.c 文件中 PsWaitForSemaphore 函数的最后一行（第 83 行）代码处添加一个断点。 按 F5 继续调试，在断点处中断。 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。 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