OS实验指导进程同步模拟分解.docx
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OS实验指导进程同步模拟分解
《操作系统》实验指导一
开课实验室：
A2092015-9-14
实验项目
（一）进程同步模拟实验
实验类型
验证
实验学时
2
一、实验目的
通过实验模拟读者和写者之间的关系，了解并掌握他们之间的关系及其原理。
由此增加对进程同步的问题的了解。
具体如下:
1）掌握基本的同步互斥算法，理解读者和写者模型；
2）了解windows中多线程（多进程）的并发执行机制，线程（进程）间的同步和互斥；
3）学习使用windows中基本的同步对象，掌握相应的API。
二、设备与环境
1.硬件设备：
PC机一台
2.软件环境：
安装Windows操作系统或者Linux操作系统，并安装相关的程序开发环境，如C\C++\Java等编程语言环境。
三、实验要求
用高级语言编写和调试一个采用“读写平等”策略的“读者-写者”问题的模拟程序。
利用模拟用信号量机制实现读者和写者问题：
通过用户控制读进程和写进程，反应读者和写者问题中所涉及的进程的同步与互斥。
1.问题描述：
模拟用信号量机制实现读者和写者问题，即有两组并发进程:
读者和写者,共享一组数据区，进行读写操作，要求任一时刻“写者”最多只允许一个，而“读者”则允许多个。
2.规则说明：
允许多个读者同时执行读操作；
不允许读者、写者同时操作；
不允许多个写者同时操作。
四、实验设计参考
1.分析读者和写者的相互关系：
1）“读－写”互斥，即不能同时有一个读者在读，同时去有一个写者在写；
2）“写－写”互斥，即不能有两个写者同时进行写操作；
3）“读－读”允许，即可以有两个以上的读者同时进行读操作。
2.采用的信号量机制
1）Wmutex表示读写的互斥信号量，初值：
Wmutex=1；
2）公共变量Rcount表示“正在读”的进程数，初值：
Rcount=0；
3）Rmutex：
表示对Rcount的互斥操作，初值：
Rmutex=1。
main（）
{intWmutex=1;
intRmutex=1;
intRcount=0;
cobegin
read1（）;
…
readi（）;
write1（）;
…
writej（）;
coend}
读者进程：
Readn（）
{P（Rmutex）;
Rcount++;
if（Rcount==1）
P（Wmutex）;
V（Rmutex）;
读
P（Rmutex）;
Rcount--;
if（Rcount==0）V（Wmutex）;
V（Rmutex）;
while（false）;
写者进程：
writem（）
{
P（Wmutex）;
写
V（Wmutex）;
}
设计中首先用户输入读者个数r_num和写者个数w_num，来模拟用信号量机制实现r_num个读者和w_num个写者同时处理一个数据区的问题。
所有的读者或写者对操作的申请和完成都是由用户控制，更容易反映读者和写者问题的规律。
3.算法流程图
4.数据结构说明
intr_num;//读者个数
intw_num;//写者个数
intWmutex=1;//表示允许写或允许读
intRcount=0;//表示正在读的进程数
intRmutex=1;//表示对Rcount的互斥操作
intr[10]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//表示读者的状态，1表示正在读
intw[10]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//表示写者的状态，1表示正在写
intw_wait[11]={-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1};//表示等待队列,0-9表示写者，10时需引入读者的等待队列，-1表示空
intr_wait[11]={-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1};//读者的等待队列,0-9表示对应的读者，-1为空
5.模块说明
四组P、V函数：
1）写者进程由3个函数组成
voidwrite_p（inti）;//模拟写者对Wmutex的P操作，同时也作为写者进程的入口
voidwrite（inti）;//开始写操作
voidwrite_v（inti）;//模拟写者对Wmutex的V操作，写操作完成的时候调用
2）读者进程由8个函数组成
voidradd_p（inti）;//模拟读之前对Rmutex的P操作，同时也作为读者进程的入口
voidradd（inti）;//Rcount加1
voidread_p（inti）;//模拟读者对Wmutex的P操作
voidradd_v（inti）;//模拟读之前对Rmutex的V操作
voidread（inti）;//读
voidrsub_p（inti）;//模拟读之后对Rmutex的P操作，读操作完成的时候调用
voidrsub（inti）;//Rcount减1
voidread_v（inti）;//模拟读者对Wmutex的V操作
voidrsub_v（inti）;//模拟读之后对Rmutex的V操作
源程序的主要部分
1写操作的设计：
模拟写者对Wmutex的P操作，同时为写者进程也作写的入口：
voidwrite_p（inti）
{
Wmutex--;
if（Wmutex<0）表示如果Wmutex<0，则该写者进入等待队列
{
w_wait[-Wmutex-1]=i;
}
else
write（i）;
}
进行写操作：
voidwrite（inti）
{
w[i]=1;
}
模拟写者对Wmutex的V操作，写操作完成的时候调用：
voidwrite_v（inti）
{
w[i]=0;
Wmutex++;
if（Wmutex<=0）表示如果Wmutex<=0，则从等待队列中选择写者或读者进行操作
{
intk,j;
if（（w_wait[0]>=0）&&（w_wait[0]{
j=w_wait[0];
for（k=0;kwrite（j）;
}
else
{
j=r_wait[0];
for（k=0;kfor（k=0;kradd_v（j）;
}
}
}
2.读操作的设计：
模拟读之前对Rmutex的P操作，同时也作为读者进程的入口：
voidradd_p（inti）{
Rmutex--;
if（Rmutex<0）表示如果Rmutex<0，则进入等待队列
{
r_wait[-Rmutex]=i;
}
else
radd（i）;
}
对于Rcount加1的控制：
voidradd（inti）
{
Rcount++;
if（Rcount==1）
read_p（i）;
else
radd_v（i）;
}
模拟读者对Wmutex的P操作：
voidread_p（inti）
{
Wmutex--;
if（Wmutex<0）表示如果Wmutex<0，则进入等待队列
{
w_wait[-Wmutex-1]=10;
r_wait[0]=i;
}
else
radd_v（i）;
}
模拟读之前对Rmutex的V操作：
voidradd_v（inti）
{
Rmutex++;
if（Rmutex<=0）表示如果Rmutex<=0，则从等待队列中选择读者进入Rcount的临界区
{
intk,j;
j=r_wait[0];
for（k=0;kradd（j）;
}
read（i）;
}
进行读操作：
voidread（inti）
{
r[i]=1;
}
模拟读之后对Rmutex的P操作，读操作完成的时候调用：
voidrsub_p（inti）
{
r[i]=0;
Rmutex--;
rsub（i）;
}
对Rcount减1的控制：
voidrsub（inti）
{
Rcount--;
if（Rcount==0）
read_v（i）;
else
rsub_v（i）;
}
模拟读者对Wmutex的V操作：
voidread_v（inti）{
Wmutex++;
if（Wmutex<=0）表示如果Wmutex<=0，则从等待队列中选择写者或读者进行操作
{
intk,j;
if（（w_wait[0]>=0）&&（w_wait[0]{
j=w_wait[0];
for（k=0;kwrite（j）;
}
else
{
j=r_wait[0];
for（k=0;kfor（k=0;kradd_v（j）;
}
}
rsub_v（i）;
}
模拟读之后对Rmutex的V操作：
voidrsub_v（inti）
{
Rmutex++;
}
3主函数的设计：
intmain（）
{
cout<<"请输入写者个数（1到10）：
";
cin>>w_num;
while（w_num<1||w_num>10）
{
cout<<"输入有误，请重新输入写者个数（1到10）：
";
cin>>w_num;
}//完成对写者个数的输入
cout<<"请输入读者个数（1到10）：
";
cin>>r_num;
while（r_num<1||r_num>10）
{
cout<<"输入有误，请重新输入读者个数（1到10）：
";
cin>>r_num;
}//完成对读者个数的输入
intx,k,j,a[20];
while
（1）
{
cout<<"************************************"<for（k=0;k<20;k++）a[k]=0;
cout<<"Wmutex="<for（k=0;k{
if（w[k]==1）
cout<<"-------写者"<<（k+1）<<"正在写"<}
for（k=0;k{
if（r[k]==1）
cout<<"-------读者"<<（k+1）<<"正在读"<}
if（w_wait[0]==-1）cout<<"等待队列中无对象"<else
{
cout<<"等待队列中有：
";
for（k=0;k{
if（w_wait[k]==10）
for（j=0;j<5;j++）
{
if（r_wait[j]!
=-1）
cout<<"-->"<<"读者"<<（r_wait[j]+1）;
}
if（（w_wait[k]>=0）&&（w_wait[k]cout<<"-->"<<"写者"<<（w_wait[k]+1）;
}
cout<}
for（k=0;k{
x=0;
for（j=0;j{
if（k==w_wait[j]）
{
a[k]=1;
x=1;
}
}
if（x==1）continue;
cout<<"（"<<（k+1）<<"）写者"<<（k+1）;
if（w[k]==0）cout<<"申请";
elsecout<<"完成";
}
for（k=0;k{
x=0;
for（j=0;j{
if（k==r_wait[j]）
{
a[k+w_num]=1;
x=1;
}
}
if（x==1）continue;
cout<<"（"<<（k+1+w_num）<<"）读者"<<（k+1）;
if（r[k]==0）cout<<"申请";
elsecout<<"完成";
}
cout<<"（"<<（w_num+r_num+1）<<"）结束"<cout<<"请输入选项序号：
";
cin>>x;
while（x<1||x>（w_num+r_num+1）||a[x-1]==1）
{
if（a[x-1]==1）cout<<"该对象已在等待队列中，请重新输入:
";
elsecout<<"输入有误，请重新输入:
";
cin>>x;
}
for（k=0;k{
if（x==（k+1））
{
if（w[k]==0）write_p（k）;
elsewrite_v（k）;
break;
}
}
for（k=0;k{
if（x==（k+1+w_num））
{
if（r[k]==0）radd_p（k）;
elsersub_p（k）;
break;
}
}
if（x==（w_num+r_num+1））return0;
}
}
五、测试用例，运行结果与运行情况分析
1．测试用例
本程序模拟读者和写者问题，每个读者和写者对读操作或写操作的申请和完成都由用户手动选择。
测试用例如下：
1、输入写者个数：
3
2、输入读者个数：
5
3、写者1申请写操作（选择选项
（1））
4、写者3申请写操作（选择选项（3））
5、读者2申请读操作（选择选项（5））
6、写者1完成写操作（选择选项
（1））
7、读者5申请读操作（选择选项（8））
8、写者3完成写操作（选择选项（3））
9、读者5完成读操作（选择选项（8））
10、读者2完成读操作（选择选项（5））
11、结束（选择选项（9））
2.结果分析
（此项需有运行结果的抓图，并附分析，其中分析的形式如下，例如：
1、输入写者个数：
3
2、输入读者个数：
5
3、刚开始时Wmutex=1Rcount=0Rmutex=1
写者1申请写操作
此时，信号量Wmutex减1，所以Wmutex=0
写者1可以直接开始写操作……）
六、自我评价与总结：
可从以下几方面阐述：
）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色；
）什么地方做得不太好，以后如何改正；
）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）；
）完成本题是否有其他的其他方法（如果有，简要说明该方法）；
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