多道程序缓冲区协调操作

1、操作系统课程设计 报告多道程序缓冲区协调操作班级 学号姓名成绩指导教师2013年7月7日多道程序缓冲区协调操作一概述1.目的：（1）了解提出信号量的背景 （2）掌握信号量的基本概念及 PV 操作的原理 （3）进一步熟悉信号量解决的经典问题 （4）利用信号量的原理实现不同操作系统下同步互斥问题2.主要完成的任务：有10个Put操作要不断循环地向InBuffer送数据，有一个Move操作要不断地将InBuffer的数据取到OutBuffer，有20个GET操作要不断地从OutBuff中取数据。InBuffer的容量是10, OutBuff的容量是20, Put、 Move、 Get每次操作一个数据

2、，为了在操作的过程中要保证数据不丢失,每个Buffer每次只能接受一个Put或一个Move或一个Get，多个操作不能同时操作同一Buffer(即需要互斥操作)。设计一个多道程序完成上述操作。试用、原语（或Wait、Signal）协调Put、 Move、Get的操作，并说明每个信号量的含义、初值和值的范围。3.使用的开发工具：VMware Workstation， ubantu Linux4.解决的主要问题：需求分析 利用信号量实现缓冲区管理临界区协调问题。解决由于进程线程共享内存而出 现的与时间有关的错误。二使用的基本概念和原理信号量：为解决多进程线程同步与互斥问题，让两个或多个多道进程线程通

3、过特殊的变量展开交互。 线程：是进程的一个实体，是进程上下文中执行的代码序列，是被系统调度的基本单元。 进程：进程是正在运行的程序实体，并且包括这个运行的程序中占据的所有系统资源。 互斥与同步：进程的同步与互斥是指进程在推进时的相互制约关系。 进程同步：它主要源于进程合作，是进程间共同完成一项任务时直接发 生相互作用的关系。 进程互斥：它主要源于资源共享，是进程之间的间接制约关系。三总体设计生产者消费者问题是相互合作的进程关系的一种抽象，可以利用信号量机制来解决生产者消费者问题，利用互斥信号量mutex实现进程对缓冲池的互斥使用。对信号量的操作只能通过两个原子操作:Wait(s)和Signal

4、(s).Wait(s)是等待信号的操作，进行S=S-1操作；Signal(s)是发送信号的操作，进行S=S+1操作。wait 若s-1后仍大于或等于零，则进程继续执行；若s-1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度；若相加结果大于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度如下图所示，有10个PUT（相当于生产者）操作要不断循环地向Buffer1送数据，有一个Move（相当于搬运者）操作要不断地将Buffer1的数据取到Buffer2，有20个GET（相当于消费者）操作要不断地从Buff2中取数据。BUFF1是10,BUFF

5、2的容量是20, PUT、 MOVE、 GET每次操作一个数据，为了在操作的过程中要保证数据不丢失,每个Buffer每次只能接受一个PUT或一个Move或一个Get，多个操作不能同时操作同一BUFFER。设计一个多道程序完成上述操作。试用、原语协调PUT、 MOVE、GET的操作，并说明每个信号量的含义、初值和值的范围。设计总体流程图如下：四详细设计4.1线程规划我们创建三类线程:（1）PUT线程（往BUFFER1里放数据，相当于生产者）。（2）MOVE线程（从BUFFER1里取数据并放到BUFFER2里，相当于搬运者）。（3）GET线程（从BUFFER2里取数据，相当于消费者）。每类线程可由

6、用户自行设定线程的个数。4.2信号量的设置需要设置六个信号量full1 empty1 buff1 full2 empty2 buff2。各信号量含义及初值如下：full1表示buffer1是否有数据，初值为0；empty1表示buffer1是否有空间，初值为m；buff1表示buffer1是否可操作，初值为1；full2表示buffer2是否有数据，初值为0；empty2表示buffer2是否有空间，初值为n；buff2表示buffer2是否可操作，初值为1。4.3 函数 move 函数：创建move线程，使用p.v原语判断inbuffer是否有数据，若有数据，则从inbuffer接受数据；

7、sem_wait(&iFull);sem_wait(&sem1);sleep(1);data2=inBufferiOut;若无数据，则move程序阻塞。从inbuffer接收到数据之后，若outbuffer有空间则将接收到的数据输入到outbuffer。 sem_wait(&oEmpty);sem_wait(&sem2);sleep(1);outBufferoIn=data2;Put函数：分配空间给buffer1。wait(s) 若s-1后仍大于或等于零，则进程继续执行；若s-1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度；若相加结果大于

8、或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。Out函数：分配空间给buffer2。使用p.v判断move是否有数据，若有，则通过move接受数据并输出。若没有，则将out程序阻塞。五编码设计 1.程序源代码如下#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <pthread.h>#include <errno.h>#include <sys/ipc.h>#include <semaphore.h

9、>/* 定义头变量 */sem_t iFull,iEmpty;sem_t oFull,oEmpty;int iIn=0,iOut=0,oIn=0,oOut=0;sem_t sem1,sem2;char inBuffer10;char outBuffer20;int data1,data2,data3;void put(void *arg);void move(void *arg);void get(void *arg);main(int argc, char *argv)int i,j;int *task110;int *task220;pthread_t id110,id2,id320

10、;int ret;/*初始化信号量imutex为1*/ret=sem_init(&sem1,0,1);if(ret!=0)perror("sem_init");/*初始化信号量omutex为1*/ ret=sem_init(&sem2,0,1);if(ret!=0)perror("sem_init");/*初始化信号量iFull为1*/ret=sem_init(&iFull,0,0);if(ret!=0)perror("sem_init");/*初始化信号量iEmpty为10*/ret=sem_init(&am

11、p;iEmpty,0,10);if(ret!=0)perror("sem_init");/*初始化信号量oFull为0*/ret=sem_init(&oFull,0,0);if(ret!=0)perror("sem_init");/*初始化信号量oEmpty为20*/ret=sem_init(&oEmpty,0,20);if(ret!=0)perror("sem_init");/*创建三个线程*/put线程for(i=0;i<10;i+)task1i = (int *)malloc(sizeof(int);*ta

12、sk1i = i;ret=pthread_create(&id1i,NULL,(void *)put,(void *)task1i);if(ret!=0)perror("pthread thread put error.");/move线程ret=pthread_create(&id2,NULL,(void *)move, NULL);if(ret!=0) perror("pthread thread move error.");/get线程for(j=0;j<20;j+)task2j = (int *)malloc(sizeof(

13、int);*task2j = j;ret=pthread_create(&id3j,NULL,(void *)get,(void *)task2j);if(ret!=0) perror("pthread thread get error.");for(i=0;i<10;i+)pthread_join(id1i,NULL);pthread_join(id2,NULL);for(j=0;j<20;j+)pthread_join(id3j,NULL);exit(0);/* put操作线程函数 */void put(void *arg)int i;int *th

14、readid1;threadid1 = (int *)arg;srand(time(NULL);while(1)sleep(1);data1= rand() % 128;/*信号量减一，P操作*/sem_wait(&iEmpty); sem_wait(&sem1);sleep(1);printf("put%d:iIn=%d,nThe data put into the inBuffer is:%dn",*threadid1,iIn,data1);inBufferiIn=data1;iIn=(iIn+1)%10;/*信号量加一，V操作*/ sem_post(&

15、amp;sem1);sem_post(&iFull); sleep(2);/* move操作线程函数 */void move(void *arg)int ret;while(1)/* move操作将数据取出inBuffer缓冲区 */sem_wait(&iFull);sem_wait(&sem1);sleep(1);data2=inBufferiOut;printf("move:iOut=%d,nThe data get out of the inBuffer is:%dn",iOut,data2);iOut=(iOut+1)%10; sem_pos

16、t(&sem1);sem_post(&iEmpty);sleep(1);/* move操作将数据放入outBuffer缓冲区 */sem_wait(&oEmpty);sem_wait(&sem2);sleep(1);outBufferoIn=data2;printf("move:oIn=%d,nThe data put into the outBuffer is:%dn",oIn,data2);oIn=(oIn+1)%20;sem_post(&sem2);sem_post(&oFull);sleep(1);/* get操作线程

17、函数 */void get(void *arg)int ret;int *threadid2;threadid2 = (int *)arg;while(1)sem_wait(&oFull);sem_wait(&sem2);sleep(1);data3=outBufferoOut;printf("get%d:oOut=%d,nThe data get out of the outBuffer is:%dn",*threadid2,oOut,data3);oOut=(oOut+1)%20;sem_post(&sem2);sem_post(&oEm

18、pty);sleep(1);六测试时出现过的问题及解决方法1. 一开始写程序时无从下手，后来经过老师指点将本程序的P.V原语写出，程序就可以按照P.V原语的顺序往下写。2. 一开始不明白程序的线程操作上锁与解锁的含义，后来经老师指导得知线程互斥与同步就是信号量的互斥与同步，创建信号量就可以表示出线程间的关系。3. 出现段错误，后改成输入的数据有随机数生成函数产生即解决此问题。 一开始不明白程序的线程操作上锁与解锁的含义，后来经老师指导得知线程互斥与同步就是信号量的互斥与同步，创建信号量就可以表示出线程间的关系。4. 编译时为出错，但在执行时出现段错误，后改成输入的数据有随机数生成函数产生即解决此问题。 七实验结果实验结果如下：八总结本软件利用ubantu Linux-VMware实现多线程的同步，用户可以直接观察多线程的运行，协调，并且可以设置线程的个数，缓冲区的容量，以及线程的速度。整个程序的设计过程中出现了很多问题，比如在设计过程中该设计几个类，各个类该完成什么样的功能，如何实现各个功能，一个类如何调用另一