多道程序缓冲区协调操作操作系统报告.docx
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多道程序缓冲区协调操作操作系统报告
苏州科技学院天平学院
操作系统课程设计 报告
－－多道程序缓冲区协调操作
专业年级
计算机工程2010
班 级
计算机工程1022
计算机工程1022
学 号
1032107209
1032107202
姓 名
刘志愿
金志献
成 绩
指导教师
陆卫忠
2012年7月 4 日
任务分配情况
姓名
承担的任务
金志献
编写主函数编译执行程序并修改
刘志愿
协助修改程序编写报告
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，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Ｐ、Ｖ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：
VMwareWorkstation，RedHatLinux2.4.20-8
4.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
2.1.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过特殊的变量展开交互。
2.2.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。
2.3.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。
2.4.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（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,BUFF2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Ｐ、Ｖ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full1empty1buff1full2empty2buff2。
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。
五．编码设计
1.开发环境为Linux，我们在进入RedHatLinux后输入startx进入图形界面，在任务菜单里可以寻找终端，即可进行代码编写与执行。
2.程序源代码如下
/****************定义头文件****************/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
/****************定义头变量****************/
sem_tiFull,iEmpty;
sem_toFull,oEmpty;
intiIn=0,iOut=0,oIn=0,oOut=0;
sem_tsem1,sem2;
charinBuffer[10];
charoutBuffer[20];
intdata1,data2,data3;
voidput（void*arg）;
voidmove（void*arg）;
voidget（void*arg）;
/****************mian函数****************/
main（intargc,char*argv[]）
{
inti,j;
int*task1[10];
int*task2[20];
pthread_tid1[10],id2,id3[20];
intret;
/*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（&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*/
//move线程
ret=pthread_create（&id2,NULL,（void*）move,NULL）;
if（ret!
=0）
perror（"pthreadthreadmoveerror."）;
//put线程
for（i=0;i<10;i++）
{
task1[i]=（int*）malloc（sizeof（int））;
*task1[i]=i;
ret=pthread_create（&id1[i],NULL,（void*）put,（void*）task1[i]）;
if（ret!
=0）
perror（"pthreadthreadputerror."）;
}
//get线程
for（j=0;j<20;j++）
{
task2[j]=（int*）malloc（sizeof（int））;
*task2[j]=j;
ret=pthread_create（&id3[j],NULL,（void*）get,（void*）task2[j]）;
if（ret!
=0）
perror（"pthreadthreadgeterror."）;
}
for（i=0;i<10;i++）pthread_join（id1[i],NULL）;
pthread_join（id2,NULL）;
for（j=0;j<20;j++）pthread_join（id3[j],NULL）;
exit（0）;
}
/****************put操作线程函数****************/
voidput（void*arg）
{
inti;
int*threadid1;
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,\nThedataputintotheinBufferis:
%d\n",*threadid1,iIn,data1）;
inBuffer[iIn]=data1;
iIn=（iIn+1）%10;
/*信号量加一，V操作*/
sem_post（&sem1）;
sem_post（&iFull）;
sleep
（2）;
}
}
/****************move操作线程函数****************/
voidmove（void*arg）
{
intret;
while
（1）
{
/*move操作将数据取出inBuffer缓冲区*/
sem_wait（&iFull）;
sem_wait（&sem1）;
sleep
（1）;
data2=inBuffer[iOut];
printf（"move:
iOut=%d,\nThedatagetoutoftheinBufferis:
%d\n",iOut,data2）;
iOut=（iOut+1）%10;
sem_post（&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）;
outBuffer[oIn]=data2;
printf（"move:
oIn=%d,\nThedataputintotheoutBufferis:
%d\n",oIn,data2）;
oIn=（oIn+1）%20;
sem_post（&sem2）;
sem_post（&oFull）;
sleep
（1）;
}
}
/****************get操作线程函数****************/
voidget（void*arg）
{
intret;
int*threadid2;
threadid2=（int*）arg;
while
（1）
{
sem_wait（&oFull）;
sem_wait（&sem2）;
sleep
（1）;
data3=outBuffer[oOut];
printf（"get[%d]:
oOut=%d,\nThedatagetoutoftheoutBufferis:
%d\n",*threadid2,oOut,data3）;
oOut=（oOut+1）%20;
sem_post（&sem2）;
sem_post（&oEmpty）;
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RedHatLinux-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个类中的变量、如何处理事件等等许多问题，在几天的认真思考后，一一解决了，做的课题虽然不是很庞大，但却很锻炼人，在代码设计过程中，对MFC面向对象的思想有了更深入的了解，程序中用到了很多操作系统的思想，如P,V操作，信号量的互斥与实现，线程的概念，对这些概念理解的更加透彻了，几天的设计过程中也看到了自己的不足，如RedHatLinux-VMware不能熟练运用，在以后的学习中应更加努力、这次课程设计虽然只有短短的几天，但却为我们未来做毕业设计及开发软件打下了基础，意义重大。
从这次课程设计中我们认识到，在开始写代码前，一定要有个整体的规划，如设计几个类，每个类能完成什么样的功能，应该设计几个变量，几个方法，各个方法能完成的功能等等，如果没有整体的规划，在代码编写过程中就无从下手，或者写了一半发现这样写不能实现要求的功能。
在写代码时，最好遵循编程规范，否则代码的修改与维护会很困难，在和别人共同编写程序时更应该注意这一点。
八．参考文献
[1]汤小丹，梁红兵，哲凤屏，汤子瀛.计算机操作系统.西安：
西安电子科技大学出版社，2007.
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