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1、实验五 进程同步与互斥(时间：12月12号)1 目的要求 1掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型；2学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法3.了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。2 实验内容以生产者/消费者模型为依据，在Windows环境下创建n个线程模拟生产者和消费者, 实现进程(线程)的同步与互斥。3 所需实验设施设备PC、windows操作系统4 教学形式及过程演示、学生独立完成实验五编程模拟生产者和消费者问题一、实验内容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。二、实验
2、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“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。本实习要求学生模拟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操作解决生产者一一消费者问题。提
3、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);begin s: = s-1;if s0 then W (s)end pprocedurev (vars: semaphore);egin s: = s+1;if s 0 then R (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
4、；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 integer。(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,
5、s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;IN, out: integer;IN: =0; out: =0;cobeginprocedure producer;c: products;beginL1:Produce (c);P (s1);BIN: =C;IN: =(IN+1)mod 10;V (s2);goto L1end;procedure consumer;x: products;beginL2:p (s2);x: =Bout;out: =(out+1) mod10;v (s1);consume (x);goto L2end;coend.其中的 semaphore 和 p
6、roducts 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) 进程控制块 PCB。 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。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(在模拟实习中进程等待原因是为等待信号量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
7、当进程处于完成状态，表示进程执行结束。图 3-1 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 “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,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PA0.4闲SA0.4,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
8、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PAPC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。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putBIN: =product; IN: = (IN+1) mod 10GETx: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce输入一个字符放入C中consume打印或显示x中的字符GOTO LPC: =LNOP空操作图 3-2 模拟的处理器指令序号生产者程序消费者程序0producep (s2)1p (sjGET2PUTv (Sj3v
9、(s2)consume4goto 0goto 0图 3-3 生产者和消费者程序(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 12-7指出。生产着和消费者进程 的PCB中献态为就绪养斷点为0将现行进程置为生产者进程” PC=o处理黑调度程序初始化程序：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S、 s2赋初值，对生产者、消费者进程的PCB初始化。初始化后转向处理调度程序，其流程如 图 12-4 。图 3-4 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
10、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12-5。图 3-5 模拟处理器调度按转向各模拟 指令应的过程11P(S)|GOTC空操作putGET 11 produceconsumeV s)|(L 1 J置现行进程为就绪态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pc加1 指向下一条指令。模拟处理器指令执行程序的流程图见图12-6 和图 12-7。图 3-6 模拟处理器指令执行否*是i瘠调用p厂的将调用PCS) 程 的进程覽为等待 信号量$的状态进程畫为就绪态*否将一个等待S信号量 的进程置为就绪态*将调用V(S) 进 程置为就绪态(a) 模拟 p (s)(b) 模拟 V (s)图 3-7 模拟 pV 操作的执行另外，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。
