4-实验四_Linux进程互斥
实验四 Linux进程互斥
一、实验目的
熟悉Linux下信号量机制，能够使用信号量实现在并发进程间的互斥和同步。
二、实验题目
使用共享存储区机制，使多个并发进程分别模拟生产者－消费者模式同步关系、临界资源的互斥访问关系，使用信号量机制实现相应的同步和互斥。
三、背景材料
（一）需要用到的系统调用
实验可能需要用到的主要系统调用和库函数在下面列出，详细的使用方法说明通过“man 2 系统调用名”或者“man 3 函数名”命令获取。
fork() 创建一个子进程，通过返回值区分是在父进程还是子进程中执行；
wait() 等待子进程执行完成；
shmget() 建立一个共享存储区；
shmctl() 操纵一个共享存储区；
shmat() 把一个共享存储区附接到进程内存空间；
shmdt() 把一个已经附接的共享存储区从进程内存空间断开；
semget() 建立一个信号量集；
semctl() 操纵一个信号量集，包括赋初值；
semop() 对信号量集进行wait和signal操作；
signal() 设置对信号的处理方式或处理过程。
（二）模拟生产者－消费者的示例程序
本示例主要体现进程间的直接制约关系，由于使用共享存储区，也存在间接制约关系。进程分为服务进程和客户进程，服务进程只有一个，作为消费者，在每次客户进程改变共享存储区内容时显示其数值。各客户进程作为生产者，如果共享存储区内容已经显示（被消费），可以接收用户从键盘输入的整数，放在共享存储区。
编译后执行，第一个进程实例将作为服务进程，提示：
ACT CONSUMER!!! To end, try Ctrl+C or use kill.
服务进程一直循环执行，直到用户按Ctrl+C终止执行，或使用kill命令杀死服务进程。
其他进程实例作为客户进程，提示：
Act as producer. To end, input 0 when prompted.
客户进程一直循环执行，直到用户输入0。
示例程序代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MY_SHMKEY 10071500 // need to change
#define MY_SEMKEY 10071500 // need to change
void sigend(int);
int shmid, semid;
int main(void)
{
int *shmptr, semval, local;
struct sembuf semopbuf;
if((shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(int), IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) < 0)
{ /* shared memory exists, act as client */
shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(int), 0666);
semid=semget(MY_SEMKEY, 2, 0666);
shmptr=(int *)shmat(shmid, 0, 0);
printf("Act as producer. To end, input 0 when prompted.\n\n");
printf("Input a number:\n");
scanf("%d", &local);
while( local )
{
semopbuf.sem_num=0;
semopbuf.sem_op=-1;
semopbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
semop(semid, &semopbuf, 1); /* P(S1) */
*shmptr = local;
semopbuf.sem_num=1;
semopbuf.sem_op=1;
semopbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
semop(semid, &semopbuf, 1); /* V(S2) */
printf("Input a number:\n");
scanf("%d", &local);
}
}
else /* acts as server */
{
semid=semget(MY_SEMKEY, 2, IPC_CREAT|0666);
shmptr=(int *)shmat(shmid, 0, 0);
semval=1;
semctl(semid, 0, SETV AL, semval); /* set S1=1 */
semval=0;
semctl(semid, 1, SETV AL, semval); /* set S2=0 */
signal(SIGINT, sigend);
signal(SIGTERM, sigend);
printf("ACT CONSUMER!!! To end, try Ctrl+C or use kill.\n\n");
while(1)
{
semopbuf.sem_num=1;
semopbuf.sem_op=-1;
semopbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
semop(semid, &semopbuf, 1); /* P(S2) */
printf("Shared memory set to %d\n", *shmptr);
semopbuf.sem_num=0;
semopbuf.sem_op=1;
semopbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
semop(semid, &semopbuf, 1); /* V(S1) */
}
}
}
void sigend(int sig)
{
shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
semctl(semid, IPC_RMID, 0);
exit(0);
}
（三）模拟临界资源访问的示例程序
本示例的临界资源是一个建立在共享存储区的栈，由服务进程建立并初始化。初始状态下共享栈满，里面顺序放置一系列正整数（自栈顶向下：1,2,3...），代表空闲块号。客户进程利用共享栈进行数据块的分配和释放，以得到、归还一个块号代表，并不进行任何后续操作。程序中getblock过程从共享栈中弹出一个块号（分配），relblock过程把一个已分配块号压入共享栈（释放）。为简单起见，已分配块号在本地也使用栈结构保存，因而每次释放的是最后分配的块号。
编译后执行，第一个进程实例将作为服务进程，提示：
NO OTHER OPERA TION but press Ctrl+C or use kill to end.
服务进程完成初始化后将进入睡眠状态，直到用户按Ctrl+C终止执行，或使用kill命令杀死服务进程。
其他进程实例作为客户进程，进入后首先有命令帮助提示，然后显示命令提示符“?> ”，在命令提示下可以使用的命令包括：
help 显示可用命令
list 列出所有已分配块号
get 分配一个新块
rel 释放最后分配块号
end 退出程序
示例程序的代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MY_SHMKEY 10071800 // need to change
#define MAX_BLOCK 1024
#define MAX_CMD 8
struct shmbuf {
int top;
int stack[MAX_BLOCK];
} *shmptr, local;
char cmdbuf[MAX_CMD];
int shmid, semid;
void sigend(int);
void relblock(void);
int getblock(void);
void showhelp(void);
void showlist(void);
void getcmdline(void);
int main(void)
{
if((shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(struct shmbuf), IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) < 0)
{ /* shared memory exists, act as client */
shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(struct shmbuf), 0666);
shmptr=(struct shmbuf *)shmat(shmid, 0, 0);
local.top=-1;
showhelp();
getcmdline();
while(strcmp(cmdbuf,"end\n"))
{
if(!strcmp(cmdbuf,"get\n"))
getblock();
else if(!strcmp(cmdbuf,"rel\n"))
relblock();
else if(!strcmp(cmdbuf,"list\n"))
showlist();
else if(!strcmp(cmdbuf,"help\n"))
showhelp();
getcmdline();
}
}
else /* acts as server */
{
int i;
shmptr=(struct shmbuf *)shmat(shmid, 0, 0);
signal(SIGINT, sigend);
signal(SIGTERM, sigend);
printf("NO OTHER OPERATION but press Ctrl+C or use kill to end.\n"); shmptr->top=MAX_BLOCK-1;
for(i=0; i shmptr->stack[i]=MAX_BLOCK-i; sleep(1000000); /* cause sleep forever. */ } } void sigend(int sig) { shmctl(shmid, IPC_RMID, 0); semctl(semid, IPC_RMID, 0); exit(0); } void relblock(void) { if(local.top<0) { printf("No block to release!"); return; } shmptr->top++; shmptr->stack[shmptr->top]=local.stack[local.top--]; } int getblock(void) { if(shmptr->top<0) { printf("No free block to get!"); return; } local.stack[++local.top]=shmptr->stack[shmptr->top]; shmptr->top--; } void showhelp(void) { printf("\navailable COMMAND:\n\n"); printf("help\tlist this help\n"); printf("list\tlist all gotten block number\n"); printf("get\tget a new block\n"); printf("rel\trelease the last gotten block\n"); printf("end\texit this program\n"); } void showlist(void) { int i; printf("List all gotten block number:\n"); for(i=0; i<=local.top; i++) printf("%d\t", local.stack[i]); } void getcmdline(void) { printf("\n?> "); fgets(cmdbuf, MAX_CMD-1, stdin); } 四、实验内容 本实验要求内容如下： 1、模拟生产者－消费者 实现相应的示例程序功能，记录执行结果；改造该程序，取消所有的同步机制，记录执行结果，看是否能观察到程序出现错误情况；进一步改造程序，使错误情况易于观察到；记录执行情况并进行分析。 2、模拟临界资源访问 实现相应的示例程序功能，记录执行结果，看是否能观察到程序出现错误情况；改造该程序，使错误情况易于观察到，记录执行情况并进行分析；利用信号量机制实现进程互斥功能，记录执行结果，并进行对比分析。 五、实验报告书写要求 应在实验报告中说明如下事项： 1、相关程序的名称及存储位置，以便指导教师抽查； 2、实验内容1中自己修改部分的描述，不同程序执行结果的描述和对比分析； 3、实验内容2中自己修改部分的描述，不同程序执行结果的描述和对比分析。 学习中心： 专业： 年级：年春/秋季 学号： 学生： 题目：进程同步与互斥生产者-消费者问题 1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？ 转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。在这个学期中，通过老师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程 1.1设计思路 在这次设计中定义的多个缓冲区不是环形循环的，并且不需要按序访问。其中生产者可以把产品放到某一个空缓冲区中，消费者只能消费被指定生产者生产的产品。本设计在测试用例文件中指定了所有生产和消费的需求，并规定当共享缓冲区的数据满足了所有有关它的消费需求后，此共享才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。 本设计在为生产者分配缓冲区时各生产者之间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。而消费者之间只有在对同一个产品进行消费时才需要互斥，它们在消费过程结束时需要判断该消费者对象是否已经消费完毕并释放缓冲区的空间。 1.2程序流程图 1.3基本内容 在设计程序时主要有三个主体部分、三个辅助函数和一个数据结构。 其中主体部分为一个主函数main（），用于初始化缓冲区和各个同步对象，并完成线程信息的读入，最后根据该组的线程记录启动模拟线程，并等待所有线程的运 Y 行结束后退出程序； 生产者函数Produce（）和消费者函数Consume（），生产者和消费者函数运行于线程中完成对缓冲区的读、写动作，根据此处生产消费的模型的特点，生产者和消费者之间通过使用同步对象实现了生产和消费的同步与互斥，是本实验的核心所在。 另外三个辅助性函数被生产者和消费者函数调用，是上述生产和消费函数中对缓冲区进行的一系列处理。 3)在实现本程序的消费生产模型时，具体的通过如下同步对象实现互斥： ①设一个互斥量h_mutex，以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个位置时进行互斥。 ②每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量 ③数组实现，该组信号量用于相应的产品已产生。同时用一个表示空缓冲区 实验二（2）进程同步 一、实验目的 1、生产者-消费者问题是很经典很具有代表性的进程同步问题，计算机中的很多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题，通过本实验的练习，希望能加深学生对进程同步问题的认识与理解。 2、熟悉VC的使用，培养和提高学生的分析问题、解决问题的能力。 二、实验内容及其要求 1．实验内容 以生产者/消费者模型为依据，创建一个控制台进程，在该进程中创建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。 2．实验要求 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； 三、实验算法分析 1、实验程序的结构图（流程图）； 2、数据结构及信号量定义的说明； (1) CreateThread ●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程 ●格式 HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParamiter, DWORD dwCreationFlags, Lpdword lpThread ); ●参数说明 lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。dwStackSize——定义原始堆栈大小。 lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。 lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。 dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。 lpThread——保存线程标志符(32位) (2) CreateMutex ●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象 ●格式 HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, BOOL bInitialOwner, LPCTSTR lpName); bInitialOwner——指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马 ●参数说明 lpMutexAttributes——必须取值NULL。上加锁)。 lpName——互斥量名称。 (3) CreateSemaphore ●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象 ●格式 HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName ); ●参数说明 lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。 第三章 一．选择题(50题) 1.以下_B__操作系统中的技术是用来解决进程同步的。 A.管道 B.管程 C.通道 2.以下_B__不是操作系统的进程通信手段。 A.管道 B.原语 C.套接字 D.文件映射 3.如果有3个进程共享同一程序段，而且每次最多允许两个进程进入该程序段，则信号量的初值应设置为_B__。 4.设有4个进程共享一个资源，如果每次只允许一个进程使用该资源，则用P、V操作管理时信号量S的可能取值是_C__。 ,2,1,0，-1 ,1,0，-1，-2 C. 1,0，-1，-2，-3 ,3，2,1,0 5.下面有关进程的描述，是正确的__A__。 A.进程执行的相对速度不能由进程自己来控制 B.进程利用信号量的P、V 操作可以交换大量的信息 C.并发进程在访问共享资源时，不可能出现与时间有关的错误 、V操作不是原语操作 6.信号灯可以用来实现进程之间的_B__。 A.调度 B.同步与互斥 C.同步 D.互斥 7.对于两个并发进程都想进入临界区，设互斥信号量为S，若某时S=0，表示_B__。 A.没有进程进入临界区 B.有1个进程进入了临界区 C. 有2个进程进入了临界区 D. 有1个进程进入了临界区并且另一个进程正等待进入 8. 信箱通信是一种_B__方式 A.直接通信 B.间接通信 C.低级通信 D.信号量 9.以下关于临界区的说法，是正确的_C__。 A.对于临界区，最重要的是判断哪个进程先进入 B.若进程A已进入临界区，而进程B的优先级高于进程A，则进程B可以 打断进程A而自己进入临界区 C. 信号量的初值非负，在其上只能做PV操作 D.两个互斥进程在临界区内，对共享变量的操作是相同的 10. 并发是指_C__。 A.可平行执行的进程 B.可先后执行的进程 C.可同时执行的进程 D.不可中断的进程 11. 临界区是_C__。 A.一个缓冲区 B.一段数据区 C.一段程序 D.栈 12．进程在处理机上执行，它们的关系是_C__。 A.进程之间无关，系统是封闭的 B.进程之间相互依赖相互制约 C.进程之间可能有关，也可能无关 D.以上都不对 13. 在消息缓冲通信中，消息队列是一种__A__资源。 A.临界 B.共享 C.永久 D.可剥夺 14. 以下关于P、V操作的描述正确的是__D_。 A.机器指令 B. 系统调用 C.高级通信原语 D.低级通信原语 15.当对信号量进行V源语操作之后，_C__。 A.当S＜0，进程继续执行 B.当S＞0，要唤醒一个就绪进程 C. 当S＜＝ 0，要唤醒一个阻塞进程 D. 当S＜＝0，要唤醒一个就绪 16.对临界区的正确论述是__D_。 A.临界区是指进程中用于实现进程互斥的那段代码 B. 临界区是指进程中用于实现进程同步的那段代码 C. 临界区是指进程中用于实现进程通信的那段代码 D. 临界区是指进程中访问临界资源的那段代码 17. __A__不是进程之间的通信方式。 A.过程调用 B.消息传递 C.共享存储器 D.信箱通信 18. 同步是指进程之间逻辑上的__A__关系。 Linux 进程管理实验 一、实验内容： 1. 利用bochs观测linux0.11下的PCB进程控制结构。 2. 利用bochs观测linux0.11下的fork.c源代码文件，简单分析其中的重要函数。 3. 在fork.c适当位置添加代码，以验证fork函数的工作原理。 二、Linux进程管理机制分析 Linux有两类进程：一类是普通用户进程，一类是系统进程，它既可以在用户空间运行，又可以通过系统调用进入内核空间，并在内核空间运行；另一类叫做内核进程，这种进程只能在内核空间运行。在以i386为平台的Linux系统中，进程由进程控制块，系统堆栈，用户堆栈，程序代码及数据段组成。Linux系统中的每一个用户进程有两个堆栈：一个叫做用户堆栈，它是进程运行在用户空间时使用的堆栈；另一个叫做系统堆栈，它是用户进程运行在系统空间时使用的堆栈。 1.Linux进程的状态： Linux进程用进程控制块的state域记录了进程的当前状态，一个Linux 进程在它的生存期中，可以有下面6种状态。 1.就绪状态(TASK_RUNNING)：在此状态下，进程已挂入就绪队列，进入准备运行状态。 2.运行状态(TASK_RUNNING)：当进程正在运行时，它的state域中的值不改变。但是Linux会用一个专门指针(current)指向当前运行的 任务。 3.可中断等待状态(TASK_INTERRUPTIBLE)：进程由于未获得它所申请的资源而处在等待状态。不管是资源有效或者中断唤醒信号都能使等待的进程脱离等待而进入就绪状态。即”浅睡眠状态”。 4.不可中断等待状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE)：这个等待状态与上面等待状态的区别在于只有当它申请的资源有效时才能被唤醒，而其它信号不能。即“深睡眠状态”。 5.停止状态（TASK_STOPPED)：当进程收到一个SIGSTOP信号后就由运行状态进入停止状态，当收到一个SINCONT信号时，又会恢复运行状态。挂起状态。 6.终止状态（TASK_ZOMBIE)：进程因某种原因终止运行，但进程控制块尚未注销。即“僵死状态”。 状态图如下所示： 2.Linux进程控制块： 实验报告 1、实验名称 进程间的互斥和同步 2、小组成员：姓名+学号 3、实验目的 Linux命名信号量实现进程间的互斥和同步 4、实验背景知识 进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。比如说进程A需要从缓冲区读取进程B产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。 进程互斥是进程之间的间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。比如进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。 5、实验步骤演示 大概步骤： 先进行单次同步，把信号量先初始化为0，创建一个命名信号量，设置信号捕捉处理代码，安装捕捉信号；其次使用信号量进行同步和互斥的操作。 详细步骤： 1.创建一个命名信号量，sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V); 2.创建子进程，pid = fork(); 3.V操作，sem_post(sem); 4.P操作，sem_wait(sem); 5.等待子进程结束，wait(&status); 6.删掉在系统创建的信号量，sem_unlink(SEM_NAME); 7.彻底销毁打开的信号量，sem_close(sem); 8.信号捕捉处理，static void myhandler(void); 9.迭代同步,两个信号量，开始时一个为1，一个为0，一个进程执行完换另一个执行； 10.安装捕捉信号，signal(SIGINT,(void *)myhandler ); 11.创建一个命名信号量：sem1 = sem_open(SEM_NAME1, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 1);sem2 = sem_open(SEM_NAME2, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, 0); 12.创建子进程，pid = fork(); 13.if(0 == pid) P操作：sem_wait(sem1); V操作：sem_post(sem2); 14.if(0 < pid) P操作：sem_wait(sem2); V操作：sem_post(sem1); 15.static void mysem(char *str) { int i = 0; //P操作 sem_wait(sem); while('\0' != str[i]) { printf("%c\n", str[i++]); sleep(1); } //V操作 sem_post(sem); } 进程排斥,在临界区设置PV操作 16.创建一个命名信号量，sem = sem_open(SEM_NAME, OPEN_FLAG, OPEN_MODE, INIT_V); 17.if(0 == pid) { mysem("abcd"); } 18.if(0 < pid) { mysem("1234"); //等待子进程结束 wait(&status); //删掉在系统创建的信号量 sem_unlink(SEM_NAME); //彻底销毁打开的信号量 sem_close(sem); } 说明： 命名信号量不带内存共享,编译时要带库文件-lpthread或-lrt 山东大学操作系统实验报告4进程同步实验 计算机科学与技术学院实验报告 实验题目：实验四、进程同步实验学号： 日期：20120409 班级：计基地12 姓名： 实验目的： 加深对并发协作进程同步与互斥概念的理解，观察和体验并发进程同步与互斥 操作的效果，分析与研究经典进程同步与互斥问题的实际解决方案。了解 Linux 系统中 IPC 进程同步工具的用法，练习并发协作进程的同步与互斥操作的编程与调试技术。 实验内容： 抽烟者问题。假设一个系统中有三个抽烟者进程，每个抽烟者不断地卷烟并抽烟。抽烟者卷起并抽掉一颗烟需要有三种材料：烟草、纸和胶水。一个抽烟者有烟草，一个有纸，另一个有胶水。系统中还有两个供应者进程，它们无限地供应所有三种材料，但每次仅轮流提供三种材料中的两种。得到缺失的两种材料的抽烟者在卷起并抽掉一颗烟后会发信号通知供应者，让它继续提供另外的两种材料。这一过程重复进行。请用以上介绍的 IPC 同步机制编程，实现该问题要求的功能。 硬件环境： 处理器：Intel? Core?i3-2350M CPU @ 2.30GHz ×4 图形：Intel? Sandybridge Mobile x86/MMX/SSE2 内存：4G 操作系统：32位 磁盘：20.1 GB 软件环境： ubuntu13.04 实验步骤： （1）新建定义了producer和consumer共用的IPC函数原型和变量的ipc.h文件。 （2）新建ipc.c文件，编写producer和consumer 共用的IPC的具体相应函数。 （3）新建Producer文件，首先定义producer 的一些行为，利用系统调用，建立共享内存区域，设定其长度并获取共享内存的首地址。然后设定生产者互斥与同步的信号灯，并为他们设置相应的初值。当有生产者进程在运行而其他生产者请求时，相应的信号灯就会阻止他，当共享内存区域已满时，信号等也会提示生产者不能再往共享内存中放入内容。 （4）新建Consumer文件，定义consumer的一些行为，利用系统调用来创建共享内存区域，并设定他的长度并获取共享内存的首地址。然后设定消费者互斥与同步的信号灯，并为他们设置相应的初值。当有消费进程在运行而其他消费者请求时，相应的信号灯就会阻止它，当共享内存区域已空时，信号等也会提示生产者不能再从共享内存中取出相应的内容。 运行的消费者应该与相应的生产者对应起来，只有这样运行结果才会正确。 目录：（内容较多，加个目录） |-进程管理 进程常用命令 |- w查看当前系统信息 |- ps进程查看命令 |- kill终止进程 |- 一个存放内存中的特殊目录/proc |- 进程的优先级 |- 进程的挂起与恢复 |- 通过top命令查看进程 计划任务 |- 计划任务的重要性 |- 一次性计划at和batch |- 周期性计划crontab 进程管理的概念 进程和程序区别 1.程序是静态概念，本身作为一种软件资源长期保存；而进程是程序的执行过程，它是动态概念，有一定的生命期，是动态产生和消亡的。 2.程序和进程无一一对应关系。一个程序可以由多个时程公用；另一一方面，一个进程在活动中有可顺序地执行若干个程序 父子进程的关系 1.子进程是由一个进程所产生的进程，产生这个子进程的进程称为父进程 2.在linux系统中，使用系统调用fork创建进程。fork复制的内容包括父进程的数据和堆栈段以及父进程的进程环境。 3.父进程终止子进程自然终止。 前台进程和后台进程 前台进程 在shell提示处理打入命令后，创建一个子进程，运行命令，Shell等待命令退出，然后返回到对用户给出提示符。这条命令与Shell异步运行，即在前台运行，用户在它完成之前不能执行别一个命令 很简单，我们在执行这个查找命令时，无法进行其它操作，这个查找就属于前台进程 后台进程 在Shell提示处打入命令，若后随一个&，Shell创建子进程运行此命令，但不等待命令退出，而直接返回到对用户给出提示。这条命令与Shell同步运行，即在后台运行。“后台进程必须是非交互式的” 再来看这个命令就变成了后台进程，我们用同样的条件进行查找，把查找记过放到hzh/test/init.find这个文件中。不影响我们前台其它的操作。 进程的状态 进程的同步互斥实验 实验目的 1、进一步认识并发执行的实质 2、分析进程竞争资源的现象，学习解决进程同步互斥的方法 实验内容 1、编写程序，使用相关函数实现父子进程对共享文件的同步互斥访问。 2、修改程序，观察对临界资源访问的互斥控制的作用。 实验基础 一、临界资源的互斥访问 为了实现多进程对临界资源的互斥访问，一个进程访问临界资源的典型程序段类似如下形式： { ………. 进入区 临界区; 退出区 其余代码; ………} 其中，进入区中判断资源是否可用，如果可用，则资源数量减1，进程进入临界区；否则进程阻塞等待。退出区中资源数量加1，唤醒阻塞等待该资源的进程。进入区和退出区都是原子操作。 操作系统中，通常用信号量来实现进入区和退出区，即P操作和V操作。为了实现用户程序中对某些资源的同步互斥访问，操作系统也提供了一些函数接口，功能类似于对特定临界区的进入区和退出区功能。 二、相关的系统调用 （1）lockf(files,function,size) ：用作锁定文件的某些段或者整个文件。 函数原型： #include 那么lockf的调用进程将被阻塞直到该区域解锁。 通过使用lockf函数，可实现多进程对共享文件进行互斥访问。进程的实现中，必须使得每个进程在使用文件前对文件加锁，使用文件后解锁。 （2）open：打开一个文件 函数原型：#include 操作系统 实验报告 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 一、实验概述 1. 实验名称 进程的同步 2. 实验目的 ⑴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。 ⑵调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。 ⑶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+设计 4. 实验内容 ⑴准备实验 ⑵使用EOS的信号量解决生产者－消费者问题 ⑶调试EOS信号量的工作过程 ①创建信号量 ②等待释放信号量 ③等待信号量（不阻塞） ④释放信号量（不唤醒） ⑤等待信号量（阻塞） ⑥释放信号量（唤醒） ⑷修改EOS的信号量算法 二、实验环境 WindowsXP + EOS集成实验环境 三、实验过程 1. 设计思路和流程图 图4-1.整体试验流程图 图4-2.Main 函数流程图、生产者消费、消费者流程图 2. 算法实现 3. 需要解决的问题及解答 (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？ 答：在执行等待信号量和释放信号量的时候，是不允许cpu响应外部中断的，如果此时cpu响应了外部中断，会产生不可预料的结果，无法正常完成原子操作。 (2). 绘制ps/semaphore.c文件内PsWaitForSemaphore和PsReleaseSemaphore函数的流程图。 (3).P143生产者在生产了13号产品后本来要继续生产14号产品，可此时生产者为什么必须等待消费者消费了4号产品后，才能生产14号产品呢？生产者和消费者是怎样使用同步对象来实现该同步过程的呢？ 答：这是因为临界资源的限制。临界资源就像产品仓库，只有“产品仓库”空闲生产者才能生产东西，有权向里面放东西。所以它必须等到消费者，取走产品，“产品空间”（临界资源）空闲时，才继续生产14号产品。 (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。 答：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。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话框。 (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); 添加一个断点。 (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。 4. 主要数据结构、实现代码及其说明 修改PsWaitForSemaphore函数 if (Semaphore->Count>0){ Semaphore->Count--; flag=STATUS_SUCCESS; }//如果信号量大于零，说明尚有资源，可以为线程分配 else flag=PspWait(&Semaphore->WaitListHead, Milliseconds); KeEnableInterrupts(IntState); // 原子操作完成，恢复中断。 return flag; }//否则，说明资源数量不够，不能再为线程分配资源，因此要使线程等待 修改PsReleaseSemaphore函数 if (Semaphore->Count + ReleaseCount > Semaphore->MaximumCount) { 实验四：进程的管道通信 实验题目 进程的管道通信 实验目的 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。学习进程创建的过程，进一步认识进程并发执行的实质。分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。学习解决进程同步的方法。掌握Linux系统中进程间通过管道通信的具体实现 实验内容 使用系统调用pipe()建立一条管道，系统调用fork()分别创建两个子进程，它们分别向管道写一句话，如： Child process1 is sending a message! Child process2 is sending a message! 父进程分别从管道读出来自两个子进程的信息，显示在屏幕上。 当然，仅仅通过屏幕上输出这两句话还不能说明实现了进程的管道通信，为了能够更好的证明和显示出进程的同步互斥和通信，在其中要加入必要的跟踪条件，如一定的输出语句等，来反映程序的并发执行情况 实验要求 这是一个设计型实验，要求自行、独立编制程序。两个子进程要并发执行。实现管道的互斥使用。当一个子进程正在对管道进行写操 作时，另一个欲写入管道的子进程必须等待。使用系统调用lockf(fd[1],1,0)实现对管道的加锁操作，用lockf(fd[1],0,0)解除对管道的锁定。实现父子进程的同步，当父进程试图从一空管道中读取数据时，便进入等待状态，直到子进程将数据写入管道返回后，才将其唤醒。 为了清楚的反应进程的同步，在子进程完成相应的操作后，调用sleep()函数睡眠一段时间（程序中定为3s）。父进程先执行wait()函数，当有子进程执行完毕后，会得到子进程的返回结果并清理子进程。若子进程没执行完，父进程一直执行wait()进行监听，知道有一个子进程执行完成为僵尸进程。 程序中用到的系统调用 因为程序时在linux系统上进行编写的，所以其中要利用到相关的linux提供的系统调用。 所用到的系统调用包含在如下头文件中。 #include 进程介绍 程序和进程 程序是为了完成某种任务而设计的软件，比如OpenOffice是程序。什么是进程呢？进程就是运行中的程序。 一个运行着的程序，可能有多个进程。比如自学it网所用的WWW服务器是apache服务器，当管理员启动服务后，可能会有好多人来访问，也就是说许多用户来同时请求httpd服务，apache服务器将会创建有多个httpd进程来对其进行服务。 进程分类 进程一般分为交互进程、批处理进程和守护进程三类。 值得一提的是守护进程总是活跃的，一般是后台运行，守护进程一般是由系统在开机时通过脚本自动激活启动或超级管理用户root来启动。比如在 Redhat中，我们可以定义httpd 服务器的启动脚本的运行级别，此文件位于/etc/init.d目录下，文件名是httpd，/etc/init.d/httpd 就是httpd服务器的守护程序，当把它的运行级别设置为3和5时，当系统启动时，它会跟着启动。 [root@localhost ~]# chkconfig --level 35 httpd on 进程的属性： 进程ID（PID)：是唯一的数值，用来区分进程； 父进程和父进程的ID（PPID)； 启动进程的用户ID（UID）和所归属的组（GID）； 进程状态：状态分为运行R、休眠S、僵尸Z； 进程执行的优先级； 进程所连接的终端名； 进程资源占用：比如占用资源大小（内存、CPU占用量）； 父进程和子进程： 他们的关系是管理和被管理的关系，当父进程终止时，子进程也随之而终止。但子进程终止，父进程并不一定终止。比如httpd服务器运行时，我们可以杀掉其子进程，父进程并不会因为子进程的终止而终止。 在进程管理中，当我们发现占用资源过多，或无法控制的进程时，应该杀死它，以保护系统的稳定安全运行； 进程管理 实验三进程的同步 一、实验目的 1、了解进程同步和互斥的概念及实现方法； 2、更深一步的了解fork()的系统调用方式。 二、实验内容 1、预习操作系统进程同步的概念及实现方法。 2、编写一段源程序，用系统调用fork()创建两个子进程，当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符“a”；子进程分别显示字符“b”和字符“c”。程序的输出是什么？分析原因。 3、阅读模拟火车站售票系统和实现进程的管道通信源代码，查阅有关进程创建、进程互斥、进程同步的系统功能调用或API，简要解释例程中用到的系统功能或API的用法，并编辑、编译、运行程序，记录程序的运行结果，尝试给出合理的解释。 4、（选做）修改问题2的代码，使得父子按顺序显示字符“a”；“b”、“c”编辑、编译、运行。记录程序运行结果。 三、设计思想 1、程序框架 （1）创建两个子进程：（2）售票系统： （3）管道通信： 先创建子进程，然后对内容加锁，将输出语句存入缓存，并让子进程自己进入睡眠，等待别的进程将其唤醒，最后解锁；第二个子进程也执行这样的过程。父进程等待子进程后读内容并输出。 （4）修改程序（1）：在子进程的输出语句前加上sleep()语句，即等待父进程执行完以后再输出。 2、用到的文件系统调用函数 （1）创建两个子进程：fork() （2）售票系统：DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpPartameter); CreateThread(NULL,0,Fun1Proc,NULL,0,NULL); CloseHandle(hThread1); (HANDLE)CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); Sleep(4000)（sleep调用进程进入睡眠状态(封锁), 直到被唤醒）; WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); ReleaseMutex(hMutex); （3）管道通信：pipe(fd)，fd: int fd[2]，其中: fd[0] 、fd[1]文件描述符（读、写）; lockf( fd，function，byte)（fd: 文件描述符；function: 1: 锁定 0:解锁；byte: 锁定的字节数，0: 从当前位置到文件尾）; write(fd，buf，byte)、read(fd，buf，byte) （fd: 文件描述符；buf : 信息传送的源（目标）地址；byte: 传送的字节数）; sleep(5); exit(0); read(fd[0]，s，50) （4）修改程序（1）：fork(); sleep(); 四、调试过程 1、测试数据设计 （1）创建两个子进程： 进程同步与互斥 进程的PV操作 在操作系统中，P、V操作是进程管理中的难点。这是1968年荷兰人Dijkstra 给出的一种解决并发进程间互斥和同步关系的通用方法。 1. P、V操作的意义 定义了信号量及其上的P操作和V操作，来实现并发进程间的同步和互斥，甚至可以用来管理资源的分配。P、V操作因交换的信息量少，属于进程的低级通信。 2. 什么是信号量？ 信号量（semaphore）是由一个值和一个指针构成的数据结构。值为整型变 量，表示信息量的值；指针指向进程控制块（PCB）队列的队头，表示等待该信号量的下一个进程。如下图所示。 信号量的一般结构及PCB队列 信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的初值不能为负，且其值只能由P、V操作来改变。 3. P、V操作的含义 P、V操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量S进行操作，具体定义如下： P（S）： ①将信号量S的值减1，即S=S-1； ②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程状态置为阻塞状态，进程PCB 排入信号量PCB队列末尾，放弃CPU，等待V操作的执行。 V（S）： ①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②如果S≤0，释放信号量队列中第一个PCB所对应的进程，将进程状态由阻塞态改为就绪态。执行V操作的进程继续执行。 一般来说，信号量S≥0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S≤0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个阻塞状态的进程，使之成为就绪状态。 4. 利用信号量和P、V操作实现进程互斥 一般地，n个进程利用信号量和P、V操作实现进程互斥的一般模型如下： 进程P 1进程P 2 ……进程Pn …… …… …… P（S）； P（S）； P（S）； 临界区；临界区；临界区； V（S）； V（S）； V（S）； …… …… …… …… 其中S是互斥信号量，初值为1。 使用P、V操作实现进程互斥时应该注意的问题是： （1）每个程序中，用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查P、V操作的成对性。 （2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。 （3）互斥信号量的初值一般为1。 由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem) (1) 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。 (2) 进一步认识并发执行的实质。 (3) 学习通过进程执行新的U 标程序的方法。 (4) 了解Linux 系统中进程信号处理的基本原理。 Red Hat Linux (1)进程的创建 编写一段程序，使用系统调用fork ()创建两个子进程，当此进程运 行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动，让每一个进程在 屏幕上显示一个字符，父进程显示字符“a” ；子进程分别显示字符 “b”和字符“c” ,试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。 程序代码： # include 操作系统实验报告 课程名称操作系统实验名称进程（线程）的同步与互斥成绩 学生姓名作业君专业软件工程班级、学号 同组者姓名无实验日期2020 一、实验题目:进程（线程）的同步与互斥 二、实验目的： 自行编制模拟程序，通过形象化的状态显示，加深理解进程的概念、进程之间的状态转换及其所带来的PCB内容、组织的变化，理解进程与其PCB间的一一对应关系。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中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。 3．了解Windows中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥 三、实验内容与要求： 1．实验内容 以生产者/消费者模型为依据，在Windows 环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建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。 2．实验要求 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则； 学习了解Windows同步对象及其特性； 熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法； 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥； 四、算法描述（含数据结构定义）或流程图 #include #define MAX_THREAD_NUM 64 //最大线程数 #define INTE_PER_SEC 1000 //延迟时间的毫秒值 const int SIZE_OF_BUFFER = 10; //缓冲区长度 int ProductID = 0; //产品号 int ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号 int in = 0; //产品进缓冲区时的缓冲区下标 int out = 0; //产品出缓冲区时的缓冲区下标 bool running = true; //判断程序能否继续执行的逻辑值 int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列 HANDLE g_hMutex; //公有信号量，用于线程间的互斥HANDLE g_hFullSemaphore; //生产者的私有信号量，当缓冲区满时迫使生产者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; //消费者的私有信号量，当缓冲区空时迫使消费者等待 //定义一个结构体用于存储线程的信息 struct ThreadInfo { int serial; //线程号 char entity; //线程类别(生产者或消费者) double delay; //等待时间 double persist; //操作时间 }; //生产者 void Producer(void* p) { //定义变量用于存储当前线程的信息 DWORD m_delay; DWORD m_persist; int m_serial; //从参数中获得信息 m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay * INTE_PER_SEC); m_persist = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist * INTE_PER_SEC); while (running) { //P操作 cout << "生产者线程 " << m_serial << " 请求生产." << endl; WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore, INFINITE); 软件学院 欧阳光明（2021.03.07） 上机实验报告 课程名称：操作系统 实验项目：实验一：Linux环境下进程管理 实验室：耘慧402 姓名：学号： 专业班级：实验时间： 一、实验目的及要求 1.加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别； 2.进一步认识并发执行的实质； 3.分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法； 4.了解Linux系统中进程通信的基本原理； 二、实验性质 1.进程的创建:编写一段程序，使用系统调用fork（）创建两个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符“a”；子进程分别显示字符“b”和字符“c”。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。 2.进程的控制:修改已编写的程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话，再观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析原因。如果在程序中使用系统调用lockf （）来给每一个进程加锁，可以实现进程之间的互斥，观察并分析出现的现象。 3.用fork( )创建一个进程，再调用exec( )用新的程序替换该子进程的内容；利用wait( )来控制进程执行顺序。 三、实验学时 实验性质：验证性 实验学时： 4学时 实验要求：必做 四、实验环境 1.实验环境： Linux系统开发环境 2.知识准备： （1） Linux系统开发环境搭建； （2） Linux环境下GCC编译器的使用； （3）语言中函数定义与调用、指针和类型的定义与使用、结构的定义、动态 内存的申请等预备知识。 五、实验内容及步骤 ①实验内容： （1）进程的创建 编写一段程序，使用系统调用fork（）创建两个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符“a”；子进程分别显示字符“b”和字符“c”。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。 （2）进程的控制 修改已编写的程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话，再观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析原因。 如果在程序中使用系统调用lockf（）来给每一个进程加锁，可以实现进程之间的互斥，观察并分析出现的现象。 （3）用fork( )创建一个进程，再调用exec( )用新的程序替换该子进程的内容；利用wait( )来控制进程执行顺序。 ②实验步骤： 1.进程的创建 1.1 进程 UNIX中，进程既是一个独立拥有资源的基本单位，又是一个独立调度的基本单位。一个进程实体由若干个区（段）组成，包括程序区、数据区、栈区、共享存储区等。每个区又分为若干页，每个进程配置有唯一的进程控制块PCB，用于控制和管理进程。 PCB的数据结构如下： （1）进程表项（Process Table Entry）。包括一些最常用的核心数据： 进程标识符PID、用户标识符UID、进程状态、事件描述符、进程和U区在内存或外存的地址、软中断信号、计时域、进程的大小、偏置值nice、指向就绪队列中下一个PCB的指针P_Link、指向U区进程正文、数据及栈在内存区域的指针。 （2）U区（U Area）。用于存放进程表项的一些扩充信息。 每一个进程都有一个私用的U区，其中含有：进程表项指针、真正用户标识符进程同步机制与互斥-生产者消费者问题
实验二(1)进程同步
进程同步与通信作业习题与答案
Linux 进程管理实验
进程间的同步和互斥-
山东大学操作系统实验报告4进程同步实验
linux进程管理篇
进程同步互斥1
进程的同步实验报告汇总
操作系统实验-进程同步与互斥
linux进程管理(一)
进程同步实验报告
进程同步与互斥汇总
Linux进程管理-实验报告
进程(线程)的同步与互斥实验报告
实验一——Linux环境下的进程管理之欧阳光明创编