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1、实验三 编程模拟生产者和消费者问题 一、实验目的和要求 模拟实现用同步机构避免发生进程执行时可能出现的与时间有关的错误。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。我们把若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量。由于进程是并 发地执行的，所以，如果对进程访问公共变量不加限制，那么就会产生 呜时间 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。本实习要求学生模拟 PV操作 同步机构的实现，模拟进程的并
2、发执行，了解进程并发执行时同步机构的作用。二、实验环境 Windows操作系统和 Visual C+专业版或企业版 三、实验步骤 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 J 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：procedure p(var s:semaphore);begin s:=sT;i f s0
3、then W(s)end p)procedure v(var s:semaphore);egin s:=s+1;if s0 then R(s)end(v)其中 W(s)表示将调用过程的进程潼为等待信号量 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，在模拟实习中可 把上述的 semaphore 直接改成 integero(2)生产者消费者问题。假定有一个生产者和一个消费者，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
4、器内，禁止消费者从空缓冲器内以产品。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 of products;s1.s2;semaphore;s1:=10,s2:=0;IN.out:integer;IN:二 0;out:二 0;cobegin procedure producer;c:products;begin L1:Produce(c);P(s1);BIN:二 C;IN:=(IN+1)mod 10;V(s2);goto L1 end;procedure consumer;x:products
5、;begin L2:p(s2);x:二 Bout;out:=(out+1)mod10;V(s1);consume(x);goto L2 end;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 代替，products 可用 integer 或 char 等代替。(3)进程扌空制块PCBO 为了记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。在模拟实习中，假设进程控制块的结构如图 3-1 o 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
6、,在进程控制块 PCB中要说明进程等待原因(在模拟实习中进程等待原因是为等待 信号量“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。.进程名 状态 等待原因 断点 图3T进程控制块结构(4)处理器的模拟。间有关的错误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若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量由于进程是并发地执行的所以如果对进程访问公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
7、所组成本实习要求学生模拟操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用二实验环境操系统和专业版定义如下操原语将信号量减去若结果小于则执行原语的进程被置成等待信号量的状态操原语将信号量加若结果不大于则释放一个等待信号量的进程这两条原语是如下的两个过程其中表示将调用过程的进程潼为等待信号量的状态表示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职能。模拟的一组指令见图 3-2,其中每条指令的功能由一个过程来实现。用变量 PC 来模拟写旨令计数器冷假设模拟的指令长度为 1,每执行一条模拟指令后，P
8、C 加 1,提出下一条指令地址。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 3-3 的形式。定义两个一维数组 PAE0.4 和 SAE0.4,每一个 PAi 存放生产者程序中的一 条模拟指令执行的入口地址；每个 SAi 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 PAEPC 或 SAPC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。能 功模拟的指令.P(S执操作原 执操作原 v(s BIN:=product;IN:=(IN+1)mod 1pu x:=Bout;out:=(out+1)m
9、od 1GE 输入一个字符放produc 打印或显consum中的字 PC:二GOTO 空操NO 图3-2摸拟的处理器指令 序号生产者程序消费者程序 p(s)produce 0：GETp(s)Lv(s)2PUT iconsumev(s)3 goto 0 4 goto 0 3-3生产者和消费者程序图(5)程序设计 本实习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 3-4 至图 3-7 指出。图3-4初始化流程 图3-5摸拟处理器调度 初始化程序：模拟实习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
10、产者、消费者进程的 PCB初始化。初始化后转向处理调 度程序，其流程如图 3-4。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它进程运行。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 3-5。图3-6摸拟处理器抬令执行(a)模拟 P(s)(b)模拟 V(s)间有关的错误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若干个进程都能进行访问和修改的
11、那些变量称为公共变量由于进程是并发地执行的所以如果对进程访问公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习要求学生模拟操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用二实验环境操系统和专业版定义如下操原语将信号量减去若结果小于则执行原语的进程被置成等待信号量的状态操原语将信号量加若结果不大于则释放一个等待信号量的进程这两条原语是如下的两个过程其中表示将调用过程的进程潼为等待信号量的状态表示图3-7模拟PV操作的执行 模拟处理器指令执行程序：按“指令计数器”PC之值执行指定的指令，且。3-7和图 3-6 指向下一条指令。模
12、拟处理器指令执行程序的流程图见图 1 加 PC.另外,为了使得模拟程序有一个结束条件，在图 3-6 中附加了 生产者运行结束“的条件判断，模拟时可以采用人工选择的方法实现。图 3-7 给出了 P(s)和 V(s)模拟指令执行过程的流程。其它模拟指令的执行过程已在图 3-2 中指出。附录：代码#include#include#include#include#define NULL 0 struct spcb char name;char state:char why：int dd:;typedef struct spcb pcb;pcb producter.consumer.*process*p
13、rocess1;int s1t s2.i.j.in,out,pc.m;char array10;char c,x;int pa 6.sa6;间有关的错误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若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量由于进程是并发地执行的所以如果对进程访问公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习要求学生模拟操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用二实验环境操系统和专业版定义如下操原语将信号量减去若结果小于则执行原语的进程被置
14、成等待信号量的状态操原语将信号量加若结果不大于则释放一个等待信号量的进程这两条原语是如下的两个过程其中表示将调用过程的进程潼为等待信号量的状态表示int p(int s)/*p 換作原语*/S=S-1;if(sstate=,B;/*B 表示阻塞*/process-why=*s*;)else process-state=,W;/W 表示就绪*/1 return(s);I int v(int s)/*v 操作原语*/s=s+1;if(sstate=1W*;)processestate二 W;return(s);char RanChar()char arr!0二a JcJf J F i.j;retu
15、rn arr abs(rand()_x0010;void put()/printf(please product anychar!);/scanf(%c,&c);Sleep(1000);array in=RanChar();in=(in+1)_xOO1O_;pr intf(product a char is%c!n.arrayin-1);int k=0;for(m=0;m10;if(arraym!=*)间有关的错误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若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量由于进程是并发地执行的所以如果对进
16、程访问公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习要求学生模拟操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用二实验环境操系统和专业版定义如下操原语将信号量减去若结果小于则执行原语的进程被置成等待信号量的状态操原语将信号量加若结果不大于则释放一个等待信号量的进程这两条原语是如下的两个过程其中表示将调用过程的进程潼为等待信号量的状态表示printf(%c.arraym);k=k+1;抽漢晴龙缓冲池中有%d个产品n.k);1 void get()Sleep(1000);x=arrayout;pr intf(%c get a
17、 char fron buffer x);pr intf();arrayout=*;out=(out+1)_x0010_;int k=0;for(mO;mstate);pr intf(|%ct.process-why):pr intf(|%dt.process-dd);printf():间有关的错误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若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量由于进程是并发地执行的所以如果对进程访问公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习要求学生
18、模拟操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用二实验环境操系统和专业版定义如下操原语将信号量减去若结果小于则执行原语的进程被置成等待信号量的状态操原语将信号量加若结果不大于则释放一个等待信号量的进程这两条原语是如下的两个过程其中表示将调用过程的进程潼为等待信号量的状态表示 void initO/*初始化程序/s1=10;/*s1表示空缓冲区的数虽*/s2=0:/*s2表示满缓冲区的数：！*/=P:/*对生产者进程初始化*/:/*对消费者进程初始化*/二0;for(int k=0;k10;k+)arrayk=*1；)void bornpa()/*将生产者程序装入pa中*/f
19、or(i=0;i=3;i卄)pai=i;)VO i d bornsa()/*将消费者程序装入sa 中*/for(i=0;idd;i二pc;/*此时把PC的值付给I*/i f(process-name=p)&(process-state二二1W*)j二pai;pc二i+1:switch(j)case 0:s1=p(s1);process-dd=pc;break;case 1:put();process-state=*W*:process-dd=pc;break;case 2:s2=v(s2);process-dd二pc;break;case 3:goto I();process-state二W:
20、process-dd二pc;)else if(process-name=c)&(process-state1W1)/*执行消费者进程且该进程处于 就绪状态*/processes tat e=*W*;j=sai;pc二i+1:switch(j)case 0:s2=p(s2);process-dd=pc;break;/*申请资源，若没有申请到则跳转*/case 1:get();process-dd二pc;break;case 2:s1=v(s1);process-dd=pc;break;case 3:goto I();process-state二W:process-dd二pc;/*end eIse
21、*/*end wh iIe*/pr intf(The program is over!n):void main()init();bornpa();bornsaO;diaoduO;间有关的错误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若干个进程都能进行访问和修改的那些变量称为公共变量由于进程是并发地执行的所以如果对进程访问公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习要求学生模拟操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用二实验环境操系统和专业版定义如下操原语将信号量减去若结果小于则执行原语的进程被置成等待信号量的状态操原语将信号量加若结果不大于则释放一个等待信号量的进程这两条原语是如下的两个过程其中表示将调用过程的进程潼为等待信号量的状态表示