操作系统实验五Word文档格式.docx

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哈尔滨工程大学

一、实验概述

1.实验名称

进程的同步

2.实验目的

1.使用EOS的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义。

2.调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。

3.修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。

3.实验类型

验证

二、实验环境

OSLab

三、实验过程

3.1准备实验

按照下面的步骤准备本次实验：

1.启动OSLab。

2.新建一个EOSKernel项目。

3.生成EOSKernel项目，从而在该项目文件夹中生成SDK文件夹。

4.新建一个EOS应用程序项目。

5.使用在第3步生成的SDK文件夹覆盖EOS应用程序项目文件夹中的SDK文件夹。

EmptySemaphoreHandle=CreateSemaphore（BUFFER_SIZE,BUFFER_SIZE,NULL）;

添加一个断点。

4.按F5继续调试，到此断点处中断。

5.按F11调试进入CreateSemaphore函数。

可以看到此API函数只是调用了EOS内核中的PsCreateSemaphoreObject函数来创建信号量对象。

6.按F11调试进入semaphore.c文件中的PsCreateSemaphoreObject函数。

在此函数中，会在EOS内核管理的内存中创建一个信号量对象（分配一块内存），而初始化信号量对象中各个成员的操作是在PsInitializeSemaphore函数中完成的。

7.在semaphore.c文件的顶部查找到PsInitializeSemaphore函数的定义（第19行），在此函数的第一行（第39行）代码处添加一个断点。

8.按F5继续调试，到断点处中断。

观察PsInitializeSemaphore函数中用来初始化信号量结构体成员的值，应该和传入CreateSemaphore函数的参数值是一致的。

9.按F10单步调试PsInitializeSemaphore函数执行的过程，查看信号量结构体被初始化的过程。

打开"

调用堆栈"

窗口，查看函数的调用层次。

3.3.2等待、释放信号量

3.3.2.1等待信号量（不阻塞）

生产者和消费者刚开始执行时，用来放产品的缓冲区都是空的，所以生产者在第一次调用WaitForSingleObject函数等待Empty信号量时，应该不需要阻塞就可以立即返回。

按照下面的步骤调试：

1.删除所有的断点（防止有些断点影响后面的调试）。

2.在eosapp.c文件的Producer函数中，等待Empty信号量的代码行（144）WaitForSingleObject（EmptySemaphoreHandle,INFINITE）;

3.按F5继续调试，到断点处中断。

4.WaitForSingleObject函数最终会调用内核中的PsWaitForSemaphore函数完成等待操作。

所以，在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的第一行（第68行）添加一个断点。

5.按F5继续调试，到断点处中断。

6.按F10单步调试，直到完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作。

可以看到此次执行并没有进行等待，只是将Empty信号量的计数减少了1（由10变为了9）就返回了。

如图所示,empty的初始值为10。

在完成PsWaitForSemaphore函数中的所有操作后empty的值变成了9。

3.3.2.2释放信号量（不唤醒）

2.在eosapp.c文件的Producer函数中，释放Full信号量的代码行（第152行）ReleaseSemaphore（FullSemaphoreHandle,1,NULL）;

4.按F11调试进入ReleaseSemaphore函数。

5.继续按F11调试进入PsReleaseSemaphoreObject函数。

6.先使用F10单步调试，当黄色箭头指向第269行时使用F11单步调试，进入PsReleaseSemaphore函数。

7.按F10单步调试，直到完成PsReleaseSemaphore函数中的所有操作。

可以看到此次执行没有唤醒其它线程（因为此时没有线程在Full信号量上被阻塞），只是将Full信号量的计数增加了1（由0变为了1）。

full信号量初始值为0

full信号量由0变为1

生产者线程通过等待Empty信号量使空缓冲区数量减少了1，通过释放Full信号量使满缓冲区数量增加了1，这样就表示生产者线程生产了一个产品并占用了一个缓冲区。

3.3.2.3等待信号量（阻塞）

由于开始时生产者线程生产产品的速度较快，而消费者线程消费产品的速度较慢，所以当缓冲池中所有的缓冲区都被产品占用时，生产者在生产新的产品时就会被阻塞，下面调试这种情况。

1.结束之前的调试。

2.删除所有的断点。

3.按F5重新启动调试。

OSLab会首先弹出一个调试异常对话框。

4.在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。

5.在semaphore.c文件中的PsWaitForSemaphore函数的PspWait（&

Semaphore->

WaitListHead,INFINITE）;

代码行（第78行）添加一个断点。

6.按F5继续调试，并立即激活虚拟机窗口查看输出。

开始时生产者、消费者都不会被信号量阻塞，同步执行一段时间后才在断点处中断。

7.中断后，查看“调用堆栈”窗口，有Producer函数对应的堆栈帧，说明此次调用是从生产者线程函数进入的。

8.在“调用堆栈”窗口中双击Producer函数所在的堆栈帧，绿色箭头指向等待Empty信号量的代码行，查看Producer函数中变量i的值为14，表示生产者线程正在尝试生产14号产品。

9.在“调用堆栈”窗口中双击PsWaitForSemaphore函数的堆栈帧，查看Empty信号量计数（Semaphore->

Count）的值为-1，所以会调用PspWait函数将生产者线程放入Empty信号量的等待队列中进行等待（让出CPU）。

10.激活虚拟机窗口查看输出的结果。

生产了从0到13的14个产品，但是只消费了从0到3的4个产品，所以缓冲池中的10个缓冲区就都被占用了，这与之前调试的结果是一致的。

3.3.2.4释放信号量（唤醒）

只有当消费者线程从缓冲池中消费了一个产品，从而产生一个空缓冲区后，生产者线程才会被唤醒并继续生产14号产品。

可以按照下面的步骤调试：

1.删除所有断点。

2.在eosapp.c文件的Consumer函数中，释放Empty信号量的代码行（第180）ReleaseSemaphor

e（EmptySemaphoreHandle,1,NULL）;

4.查看Consumer函数中变量i的值为4，说明已经消费了4号产品。

5.按照3.3.2.2中的方法使用F10和F11调试进入PsReleaseSemaphore函数。

6.查看PsReleaseSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore->

Count）的值为-1，和生产者线程被阻塞时的值是一致的。

7.按F10单步调试PsReleaseSemaphore函数，直到在代码行（第132行）PspWakeThread（&

WaitListHead,STATUS_SUCCESS）;

处中断。

此时Empty信号量计数的值已经由-1增加为了0，需要调用PspWakeThread函数唤醒阻塞在Empty信号量等待队列中的生产者线程（放入就绪队列中），然后调用PspSchedule函数执行调度，这样生产者线程就得以继续执行。

按照下面的步骤验证生产者线程被唤醒后，是从之前被阻塞时的状态继续执行的：

1.在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函数的最后一行（第83行）代码处添加一个断点。

2.按F5继续调试，在断点处中断。

3.查看PsWaitForSemaphore函数中Empty信号量计数（Semaphore->

Count）的值为0，和生产者线程被唤醒时的值是一致的。

4.在“调用堆栈”窗口中可以看到是由Producer函数进入的。

激活Producer函数的堆栈帧，查看Producer函数中变量i的值为14，表明之前被阻塞的、正在尝试生产14号产品的生产者线程已经从PspWait函数返回并继续执行了。

5.结束此次调试。

3.4修改EOS的信号量算法

修改处代码

运行成功

3.4.3测试方法

修改完毕后，可以按照下面的方法进行测试：

1.使用修改完毕的EOSKernel项目生成完全版本的SDK文件夹，并覆盖之前的生产者－消费者应用程序项目的SDK文件夹。

2.按F5调试执行原有的生产者－消费者应用程序项目，结果必须仍然与图13-2一致。

如果有错误，可以调试内核代码来查找错误，然后在内核项目中修改，并重复步骤1。

3.将Producer函数中等待Empty信号量的代码行WaitForSingleObject（EmptySemaphoreHandle,INFINITE）;

替换为while（WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject（EmptySemaphoreHandle,300））{printf（"

Producerwaitforemptysemaphoretimeout\n"

）;

}

4.将Consumer函数中等待Full信号量的代码行WaitForSingleObject（FullSemaphoreHandle,INFINITE）;

替换为while（WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject（FullSemaphoreHandle,300））{printf（"

Consumerwaitforfullsemaphoretimeout\n"

5.启动调试新的生产者－消费者项目，查看在虚拟机中输出的结果，验证信号量超时等待功能是否能够正常执行。

6.如果超时等待功能已经能够正常执行，可以考虑将消费者线程修改为一次消费两个产品，来测试ReleaseCount参数是否能够正常使用。

使用实验文件夹中NewConsumer.c文件中的Consumer函数替换原有的Consumer函数。

四、思考题

1.思考在ps/semaphore.c文件内的PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数中，为什么要使用原子操作？

可以参考本书第2章中的第2.6节。

答：

等待和释放操作都是原语操作,在执行等待信号量和释放信号量的时候，不能被打断，所以cpu是不允许响应外部中断的，如果此时cpu响应了外部中断，中间的某些共用的变量会产生不可预料的变化，无法正常完正常的操作。

2.绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。

（1）PsWaitForSemaphore

（2）PsReleaseSemaphore

3.根据本实验3.3.2节中设置断点和调试的方法，练习调试消费者线程在消费第一个产品时，等待Full信号量和释放Empty信号量的过程。

注意信号量计数是如何变化的。

4.根据本实验3.3.2节中设置断点和调试的方法，自己设计一个类似的调试方案来验证消费者线程在消费24号产品时会被阻塞，直到生产者线程生产了24号产品后，消费者线程才被唤醒并继续执行的过程。

提示，可以按照下面的步骤进行调试：

（1）删除所有的断点。

（2）按F5启动调试。

（3）在调试异常对话框中选择“是”，调试会中断。

（4）在Consumer函数中等待Full信号量的代码行（第173行）WaitForSingleObject（FullSemaphoreHandle,INFINITE）;

（5）在“断点”窗口（按Alt+F9打开）中此断点的名称上点击右键。

（6）在弹出的快捷菜单中选择“条件”。

（7）在“断点条件”对话框（按F1获得帮助）的表达式编辑框中，输入表达式“i==24”。

（8）点击“断点条件”对话框中的“确定”按钮。

（9）按F5继续调试。

只有当消费者线程尝试消费24号产品时才会在该条件断点处中断。

五、实验体会

本次实验我学会了使用EOS的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解了进程同步的意义。

并且修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理。