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1、操作系统课程设计报告目录第 1 章 实验目的和实验要求 11.1 实验目的 11.2 实验要求 11.3 课程设计题目 1第 2 章 实验内容 22.1 题目分析 22.1.1 问题的描述 22.1.2 问题的解决方法 22.2 算法分析 32.2.1 读者优先算法分析 32.2.2 写者优先算法分析 82.2.3 无优先算法分析 112.3 函数设计 13第 3 章 程序实现 153.1 程序功能及界面设计 153.2 实现程序流程 153.2.1 读者优先算法实现 153.2.2 写者优先算法实现 163.2.3 无优先算法实现 173.3 程序流程图 183.3.1 读者优先算法流程图
2、183.3.2 写者优先算法流程图 183.3.3 无优先算法流程图 19心得体会 21参考文献 22附录 1 源代码 23第 1 章 实验目的和实验要求1.1 实验目的理解临界区和进程互斥的概念，掌握用信号量和 PV 操作实现进程互斥的方 法。1.2 实验要求在 windows 或者 linux 环境下编写一个控制台应用程序，该程序运行时能创 建 N 个线程，其中既有读者线程又有写者线程，它们按照事先设计好的测试数 据进行读写操作。请用信号量和 PV 操作实现读者/写者问题。1.3 课程设计题目本课程设计共包括 3 个题目，内容覆盖了操作系统原理的关键知识点，包 括进程调度、内存管理、进程同
3、步、死锁、进程通讯、文件系统及嵌入式操作 系统。题目 1：进程调度算法。模拟在单处理器情况下的进程调度，目的是加深对 进程调度工作的理解，掌握不同调度算法的优缺点题目 2：动态异长分区的存储分配与回收算法。编写一个程序，模拟操作系 统对动态异长分区的存储分配与回收算法。题目 3：读者/写者问题与进程同步。理解临界区和进程互斥的概念，掌握 用信号量和 PV 操作实现进程互斥的方法。要求学生用信号量和 PV 操作实现读 者/写者问题的读者优先算法、写者优先算法和无优先算法。我们小组选择题目 3，即读者/写者问题与进程同步。以下是该题目的实验 报告。第 2 章 实验内容2.1题目分析2.1.1 问题
4、的描述有一个被许多进程共享的数据区，这个数据区可以是一个文件，或者主存 的一块空间，甚至可以是一组处理器寄存器。有一些只读取这个数据区的进程(reader)和一些只往数据区中写数据的进程(writer)。以下假设共享数据区是 文件。这些读者和写者对数据区的操作必须满足以下条件：读读允许；读 写互斥；写写互斥。这些条件具体来说就是：(1) 任意多的读进程可以同时读这个文件；(2) 一次只允许一个写进程往文件中写；(3) 如果一个写进程正在往文件中写，禁止任何读进程或写进程访问文件；(4) 写进程执行写操作前，应让已有的写者或读者全部退出。这说明当有 读者在读文件时不允许写者写文件。2.1.2 问
5、题的解决方法( 1 )读者优先 除了上述四个规则外，还增加读者优先的规定，当有读者在读文件时，对 随后到达的读者和写者，要首先满足读者，阻塞写者。这说明只要有一个读者 活跃，那么随后而来的读者都将被允许访问文件，从而导致写者长时间等待， 甚至有可能出现写者被饿死的情况。(2)写者优先 除了上述四个规则外，还增加写者优先的规定，即当有读者和写者同时等 待时，首先满足写者。当一个写者声明想写文件时，不允许新的读者再访问文 件。( 3 )无优先 除了上述四个规则外，不再规定读写的优先权，谁先等待谁就先使用文件。2.2算法分析2.2.1 读者优先算法分析对于相继到达的一批读者，并不是每个读者都需要执行
6、P(r_w_w) 和V(r_w_w)。在这批读者中，只有最先到达的读者才需要执行P(r_w_w),与写者 竞争对文件的访问权，若执行P(r_w_w)成功则获得了文件的访问权，其他的读 者可直接访问文件；同理，只有最后退出临界区的读者需要执行V(r_w_w)来归 还文件访问权。为了记录正在读文件的一批读者的数量， 需要设置一个整型变量 read_count,每一个读者到达时都要将read_count加1,退出时都要将read_count 减1。由于只要 有一个读者在读文件， 便不允许写者写 文件，所以 ， 仅当 read_count=0时，即尚无读者在读文件时，读者才需要执行P(r_w_w)操作
7、。若 P(r_w_w)操作成功，读者便可去读文件，相应地，read_count+l。同理，仅当在 执行了 read_count减1操作后其值为0时，才需要执行V(r_w_w)操作，以便让 写者写文件。又因为read_count是一个可被多个读者访问的临界资源，所以应 该为它设置一个互斥信号量h_mutex_read_count。每个读者在访问read_count 之前执行 P(h_mutex_read_count)，之后执行 V(h_mutex_read_count)。通过上述分析得到图 2-1 所示的算法描述，其中的数字表示语句对应的行 号。01semaphore r_w_w=1;02sem
8、aphore h_mutex_read_count=1;03int read_count=0;04reader()16writer()05P(h_mutex_read_count);17P(r_w_w);06if(read_count=0) P(r_w_w);18写文件；07read_count+;19V(r_w_w);08V(h mutex read count);2009读文件；10P(h_mutex_read_count);11read_count-;12if(read_count=0) V(r_w_w);13V(h_mutex_read_count);1415图 2-1 读者优先算法下
9、面对该算法的调度效果进行分析。 假设最初没有进程在访问文件。过了一会，就会有很多读者和写者到达。 对它们可能有两种调度情形。情形 1 最先调度写者写者执行P(r_w_w)操作成功，将r_w_w的值变为0获得文件的访问权； 其它的写者执行P(r_w_w)将r_w_w的值变为负数，从而阻塞在信号量r_w_w 上；第一个读者执行 P(h_mutex_read_count)成功，将信号量 h_mutex_read_count 的值变为0然后判断read_count是0所以执行P(r_w_w),将r_w_w的值减 1 后 仍然为负 数从而阻塞 在信 号 量 r_w_w 上， 其它 的 读者执行 P(h_
10、mutex_read_count)将信号量h_mutex_read_count的值变为负数，从而阻塞在 信号量 h_mutex_read_count 上。例如，对于请求序列wl,w2,rl,w3,r2,r3,我们用图表形象地刻画进程的活动， 图表中包括读者计数器的值、信号量h_mutex_read_count和r_w_w的值和队列 以及访问文件的进程。 初始状态。没有进程使用文件，计数器read_count的值是0，信号量 h_mutex_read_count和r_w_w的值都是1，队列都是空，参见图2-2； wl请求写文件，所以执行语句17,将信号量r_w_w的值减1后变成0, w1 获得文
11、件使用权，执行语句 18，开始写文件，参见图 2-3； 在 w1 尚未写完时， w2 提出写请求，所以执行语句 17，将信号量 r_w_w 的值减1后变成负1，w2被阻塞在信号量r_w_w上，参见图2-4； 同时 r1 提出读请求，所以执行语句 5，将信号量 h_mutex_read_count 的 值减1后变成0,接着执行语句6,判断read_count的值是0,所以执行P(r_w_w)，将信号量r_w_w的值减1后变成-2, r1被阻塞在信号量r_w_w上，参见图2-5；初始状态 read_count=0 h_mutex_read_cou ntw1请求read_count=0 h_mute
12、x_read_cou ntw2请求read_count=0 h_mutex_read_cou nt图2-4访问文件者：w1图2-5同时w3提出写请求，所以执行语句17,将信号量r_w_w的值减1后变 成-3, w3 被阻塞在信号量 r_w_w 上,参见图 2-6；同时 r2 提出读请求，所以执行语句 5，将信号量 h_mutex_read_count 的 值减 1 后变成-1， r2 被阻塞在信号量 h_mutex_read_count 上，参见图 2-7；r1请求read_count=0h_mutex_read_count0NULLr_w_w-2 同时 r3 提出读请求，所以执行语句 5，将
13、信号量 h_mutex_read_count 的 值减 1 后变成-2， r3 被阻塞在信号量 h_mutex_read_count 上，参见图 2-8； w1写完文件，执行语句19，将信号量r_w_w的值加1后变成-2，并唤醒 w2， w2 接着执行语句 18，开始写文件，参见图 2-9； w2写完文件，执行语句19，将信号量r_w_w的值加1后变成-1，并唤醒 r1， r1 接着执行语句 7，将 read_count 的值加 1 后变成 1，执行语句 8，将信号量h_mutex_read_count的值加1后变成-1，并唤醒r2, r1执行语句9,开始读w3请求read_count=0 h
14、_mutex_read_cou ntr2请求read_count=0 h_mutex_read_cou ntw1图2-7w1图2-6文件；被唤醒的r2执行语句6，判断read_count的值不是0，所以执行语句 7,将 read_count 的值加 1 后变成 2,执行语句 8,将信号量 h_mutex_read_count 的值加 1 后变成 0，并唤醒 r3， r2 执行语句 9，开始读文件；被唤醒的 r3 执行 语句 6，判断 read_count 的值不是 0，所以执行语句 7，将 read_count 的值加 1 后变成3，执行语句8，将信号量h_mutex_read_count的值
15、加1后变成1，r3执 行语句 9，开始读文件。这样三个读者同时读文件，参见图 2-10； 当 r1、r2 和 r3 读完文件时，都执行语句 1014，并由最后一个执行语句 1014的读者执行V(r_w_w)，将信号量r_w_w的值加1后变成0，并唤醒w3, w3 接着执行语句 18，开始写文件，参见图 2-11；当 w3 写完文件时，执行语句 19，将信号量 r_w_w 的值加 1 后变成 1，回 到初始状态。可见， 对于请求序列 w1,w2,r1,w3,r2,r3 ， 实际访问文件 的 顺序是 w1,w2,r1,r2,r3,w3。虽然w3比r2、r3先提出请求，但是由于在此之前已经有r1 在读文件，所以优先响应读者r2、r3,阻塞写者w3。如果在w3之后不断有新 的读者到达，则w3将一直被阻塞，直至被饿死。r3请求read_count=0 h_mutex_read_cou nt图2-8read_count=0h_mutex_r
