操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--臨界區(qū)管理實(shí)現(xiàn)

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操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--臨界區(qū)管理實(shí)現(xiàn)_第1頁

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文檔簡介

1、　　臨界區(qū)管理實(shí)現(xiàn)　　0 引言　　隨著多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變和分布式與并行系統(tǒng)的發(fā)展，并發(fā)多任務(wù)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)已愈來愈顯得重要，多線程設(shè)計(jì)模式在這些技術(shù)的發(fā)展中起著重要作用。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，利用進(jìn)(線)程間的并發(fā)性實(shí)現(xiàn)程序中并發(fā)成分的并行執(zhí)行，可大大提高系統(tǒng)的

2、處理能力和效率，但也可能帶來諸如執(zhí)行結(jié)果的不確定性等不良現(xiàn)象，因此并發(fā)系統(tǒng)中處理好進(jìn)(線)程間的互斥與同步就顯得至關(guān)重要。C++語言中的多線程機(jī)制是解決線程間的互斥與同步問題的重要工具，其應(yīng)用(如網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用、工業(yè)自動(dòng)化控制等)很廣泛，很復(fù)雜且常易出錯(cuò)。因此在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)過程中，要考慮多個(gè)線程如何同步使用進(jìn)程的共享資源，如何讓一個(gè)線程與另一個(gè)線程協(xié)調(diào)合作，以免產(chǎn)生線程間的訪問沖突。語言提供的多線程機(jī)制能有避免同一共享互斥資源被多個(gè)線程

3、同時(shí)訪問，維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性、安全性。生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題可作為并發(fā)進(jìn)程的同步和互斥問題的一個(gè)抽象模型，廣泛應(yīng)用于通信和控制系統(tǒng)中。本文基于C++語言中的多線程機(jī)制，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題，以助人們更好地透解同步概念及其實(shí)現(xiàn)方法。　　1 課程設(shè)計(jì)目的　　通過模擬操作者生產(chǎn)者經(jīng)典問題的實(shí)現(xiàn)，以及關(guān)于信號(hào)量和互斥鎖

4、對(duì)于多線程的運(yùn)用，深入理解操作系統(tǒng)中多線程同步法的理論知識(shí), 加深對(duì)教材中的重要算法的理解。同時(shí)通過編程實(shí)現(xiàn)這些算法,更好地掌握操作系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法,提高綜合運(yùn)用各專業(yè)課知識(shí)的能力。　　2 課程設(shè)計(jì)題目和要求　　2.1 課程設(shè)計(jì)題目　　題目: 臨界區(qū)管理實(shí)現(xiàn).　　2.

5、2課程設(shè)計(jì)目的與要求　　初始條件：　　1.操作系統(tǒng)：Windows　　2.程序設(shè)計(jì)語言：C++語言　　3.有界緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有20個(gè)存儲(chǔ)單元，其初值為0。放入／取出的數(shù)據(jù)項(xiàng)按增序設(shè)定為1－20這20個(gè)整型數(shù)。<

6、;p>　　技術(shù)要求：　　1、生產(chǎn)者和消費(fèi)者各有兩個(gè)以上。多個(gè)生產(chǎn)者或　　多個(gè)消費(fèi)者之間須有共享對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行操作　　的函數(shù)代碼。每個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者對(duì)有界緩沖　　區(qū)進(jìn)行操作后，即時(shí)顯示有界緩沖區(qū)的全部內(nèi)&l

7、t;p>　　容，當(dāng)前指針位置。　　2、編寫多線程同步方法解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者的程　　序，并完成對(duì)進(jìn)程進(jìn)行模擬同步和互斥的控制。　　2 設(shè)計(jì)總體思路　　2.1 多線程編程思想

8、;　　編寫Windows下的多線程程序，需要使用頭文件pthread.h以及windows.h.在LINUX下進(jìn)行多線程編程首先要用到CreateThread()這個(gè)函數(shù).函數(shù)CreateThread()用來創(chuàng)建一個(gè)線程，它的原型為：　　HANDLE CreateThread(　　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpTh

9、readAttributes, 　　// pointer to security attributes　　DWORD dwStackSize,　　// initial thread stack size　　LPTHREAD_START_ROUTINE lpStar

10、tAddress, 　　// pointer to thread function　　LPVOID lpParameter,　　// argument for new thread　　DWORD dwCreationFlags,

11、　// creation flags　　LPDWORD lpThreadId);　　// pointer to receive thread ID　　第一個(gè)參數(shù)是指向SECURITY_ATTRIBUTES型態(tài)的結(jié)構(gòu)的指針。在Windows 98中忽略該參數(shù)。在Windows NT中，它被設(shè)為NULL。第二個(gè)參數(shù)

12、是用于新線程的初始堆棧大小，默認(rèn)值為0。在任何情況下，Windows根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)延長堆棧的大小。第三個(gè)參數(shù)是指向線程函數(shù)的指標(biāo)。函數(shù)名稱沒有限制，但是必須以下列形式聲明：DWORD WINAPI ThreadProc (PVOID pParam) ;第四個(gè)參數(shù)為傳遞給ThreadProc的參數(shù)。這樣主線程和從屬線程就可以共享數(shù)據(jù)。第五個(gè)參數(shù)通常為0，但當(dāng)建立的線程不馬上執(zhí)行時(shí)為旗標(biāo)CREATE_SUSPENDED。線程將暫停直到

13、呼叫ResumeThread來恢復(fù)線程的執(zhí)行為止。第六個(gè)參數(shù)是一個(gè)指標(biāo)，指向接受執(zhí)行緒ID值的變量。　　2.1.1線程數(shù)據(jù)　　在單線程的程序里，有兩種基本的數(shù)據(jù)：全局變量和局部變量。但在多線程程序里，還有第三種數(shù)據(jù)類型：線程數(shù)據(jù)。它和全局變量很象，在線程內(nèi)部，各個(gè)函數(shù)可以象使用全局變量一樣調(diào)用它，但它對(duì)線程外部的其

14、它線程是不可見的。這種數(shù)據(jù)的必要性是顯而易見的。例如我們常見的變量errno，它返回標(biāo)準(zhǔn)的出錯(cuò)信息。它顯然不能是一個(gè)局部變量，幾乎每個(gè)函數(shù)都應(yīng)該可以調(diào)用它；但它又不能是一個(gè)全局變量，否則在A線程里輸出的很可能是B線程的出錯(cuò)信息。　　ThreadHandle[0]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producer1)其六個(gè)參數(shù)分別表示為安全設(shè)置，堆

15、棧大小，入口函數(shù)，函數(shù)參數(shù)，啟動(dòng)選項(xiàng)，輸出線程 ID，返回線程句柄。　　2.1.2 互斥鎖　　互斥鎖用來保證一段時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)線程在執(zhí)行一段代碼，必要性顯而易見：假設(shè)各個(gè)線程向同一個(gè)文件順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，最后得到的結(jié)果一定是災(zāi)難性的.函數(shù)mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);用來生成一

16、個(gè)互斥鎖.NULL參數(shù)表明使用默認(rèn)屬性.如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調(diào)用函數(shù) CreateMutex(NULL,FALSE,NULL)　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE)聲明開始用互斥鎖上鎖，直至調(diào)用ReleaseMutex(mutex)為止，均被上鎖，　　即同一時(shí)間只能被一個(gè)線程調(diào)用執(zhí)行.當(dāng)一個(gè)線

17、程執(zhí)行到pthread_mutex_lock處時(shí)，如果該鎖此時(shí)被另一個(gè)線程使用，那么此線程被阻塞，即程序?qū)⒌却搅硪粋€(gè)線程釋放此互斥鎖.　　2.1.3 信號(hào)量　　信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它被用來控制對(duì)公共資源的訪問。當(dāng)公共資源增加時(shí)，調(diào)用函數(shù)aitForSingleObject(empty,INFINIT

18、E)增加信號(hào)量。只有當(dāng)信號(hào)量值大于０時(shí)，才能使用公共資源，使用后，函數(shù)WaitForSingleObject(full,INFINITE)減少信號(hào)量。　　函數(shù) ReleaseSemaphore(full,1,NULL)用來增加信號(hào)量的值。當(dāng)有線程阻塞在這個(gè)信號(hào)量上時(shí)，調(diào)用這個(gè)函數(shù)會(huì)使其中的一個(gè)線程不在阻塞，選擇機(jī)制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的。函數(shù)ReleaseSemaphor()用來釋放信號(hào)量

19、。　　2.2 設(shè)計(jì)原理　　生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程共享同一個(gè)緩沖隊(duì)列，生產(chǎn)者線程向緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)，消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)。但兩者必須在使用緩沖隊(duì)列資源時(shí)保持互斥，否則可能會(huì)導(dǎo)致在寫入時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)覆蓋，在讀出時(shí)得到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因而要在程序中設(shè)置一個(gè)互斥鎖或公用信號(hào)量，用于保證線程間的互斥執(zhí)行。同時(shí)生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程必

20、須保持同步關(guān)系，因?yàn)樯a(chǎn)者線程的執(zhí)行為消費(fèi)者線程提供了需要的數(shù)據(jù)，是其執(zhí)行的前提。反之，消費(fèi)者線程的執(zhí)行為生產(chǎn)者線程騰出了空閑的緩沖單元，為寫數(shù)據(jù)提供了條件。即消費(fèi)者線程執(zhí)行的前提：緩沖隊(duì)列中至少有一個(gè)單元有數(shù)據(jù)；生產(chǎn)者線程執(zhí)行的前提：緩沖隊(duì)列中至少有一個(gè)單元是空的。在設(shè)計(jì)過程中，利用信號(hào)量和wait 、signal原語操作來實(shí)現(xiàn)。如圖1所示：　　圖1 生產(chǎn)者、消費(fèi)者共享有界緩沖區(qū)</p&

21、gt;　　2.3 原語操作實(shí)現(xiàn)　　The structure of the producer process　　do {　　// 生產(chǎn)產(chǎn)品　　wait (empty);<

22、;/p>　　wait (mutex);　　// 往Buffer中放入產(chǎn)品　　signal (mutex);　　signal (full);　　} while (true);　　The structur

23、e of the consumer process　　do {　　wait (full);　　wait (mutex);　　// 從Buffer中取出產(chǎn)品　　signal (mutex);&l

24、t;/p>　　signal (empty);　　// 消費(fèi)產(chǎn)品　　} while (true);　　3 開發(fā)環(huán)境與工具　　系統(tǒng)平臺(tái)：Windows環(huán)境

25、;　　實(shí)現(xiàn)語言：C++語言　　開發(fā)工具：Vs2012　　4 概要設(shè)計(jì)　　4.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　　通過分析課程設(shè)計(jì)要求，具體設(shè)計(jì)出如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):　　1. int buffe

26、r[20]={0};//定義緩沖區(qū)空間大小　　2.包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)pthread_t 它記錄一個(gè)線程的號(hào)，主要包括下面幾個(gè)函數(shù)，完成不同的功能：　　ThreadHandle[0]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producer1); //創(chuàng)建一個(gè)線程。　　Exit

27、Thread(0);　　CloseHandle(ThreadHandle[0]);　　//等待一個(gè)線程結(jié)束。　　4.2 程序模塊實(shí)現(xiàn)　　4.2.1 生產(chǎn)者（Producer）模塊 　　生產(chǎn)者線程向一緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)，且寫入緩沖區(qū)的

28、數(shù)目不能超過緩沖區(qū)容量。當(dāng)生產(chǎn)者產(chǎn)生出數(shù)據(jù)，需要將其存入緩沖區(qū)之前，首先檢查緩沖區(qū)中是否有“空”存儲(chǔ)單元，若緩沖區(qū)存儲(chǔ)單元全部用完，則生產(chǎn)者必須阻塞等待，直到消費(fèi)者取走一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)，喚醒它。若緩沖區(qū)內(nèi)有“空”存儲(chǔ)單元，生產(chǎn)者需要判斷此時(shí)是否有別的生產(chǎn)者或消費(fèi)者正在使用緩沖區(qū)，若是有，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區(qū)的使用權(quán)，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，釋放緩沖區(qū)的使用權(quán)，其流程圖如圖2所示：<b&

29、gt;　　圖2 生產(chǎn)者流程圖　　//生產(chǎn)者線程　　DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)　　{　　do{

30、　　WaitForSingleObject(empty,INFINITE); //空緩沖區(qū)減1　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號(hào)量上鎖　　buffer[in]=in+1; //往Buffer中放入產(chǎn)品&l

31、t;p>　　in=(in+1)%BUFFER_SIZE; 　　//放入指針調(diào)整，為下次送出做準(zhǔn)備　　printAll();　　ReleaseMutex(mutex); //信號(hào)量解鎖　　ReleaseSemaphore(full,1,NULL);

32、 　　//滿緩沖區(qū)加1，即當(dāng)公共資源增加時(shí)，調(diào)用函數(shù)ReleaseSemaphore（）增加信號(hào)量　　}while(1);　　}　　4.2.2 消費(fèi)者(Consumer)模塊 　　消費(fèi)者線程

33、從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，且消費(fèi)者讀取的數(shù)目不能超過生產(chǎn)者寫入的數(shù)目。消費(fèi)者取數(shù)據(jù)之前，首先檢查緩沖區(qū)中是否存在裝有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，若緩沖區(qū)為“空”，則阻塞等待，否則，判斷緩沖區(qū)是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區(qū)的使用權(quán)，進(jìn)入緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，釋放緩沖區(qū)的使用權(quán)。其執(zhí)行流程如圖3所示：　　圖3 消費(fèi)者流程圖&l

34、t;p>　　//消費(fèi)者線程　　DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)　　{　　do{　　WaitForSingleOb

35、ject(full,INFINITE); //滿緩沖區(qū)減1　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號(hào)量上鎖　　buffer[out]=0; //從Buffer中取出產(chǎn)品　　out=(out+1)%BUFFER_SIZE; //取

36、指針調(diào)整，為下次取做準(zhǔn)備　　printAll();　　ReleaseMutex(mutex); //信號(hào)量解鎖　　ReleaseSemaphore(empty,1,NULL); //空緩沖區(qū)加1　　}while(1);<p&g

37、t;　　}　　5 詳細(xì)設(shè)計(jì)　　5.1 源程序代碼　　#include<iostream>　　#include <stdio.h><

38、;/p>　　#include <pthread.h>　　#include <semaphore.h>　　#include <windows.h>　　using namespace std;　　DWORD WI

39、NAPI Producer(LPVOID);　　DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);　　#define WINAPI_stdcall 　　#define THREAD_NUM 20　　#define BUFFER_SIZE 20 //20

40、個(gè)緩沖區(qū)　　int buffer[20]={0};　　HANDLE empty;　　HANDLE full;　　HANDLE mutex; //for mutual exclusion進(jìn)程信號(hào)量　　int in=0

41、; //point to the next free positon　　int out=0; //point to the first full positon　　//把所有的緩沖區(qū)輸出到屏幕上　　void printAll(){&l

42、t;b>　　int i;　　for(i=0;i<20;i++)　　cout<<i<<" ";　　cout<<endl；　　cout<<"current produ

43、cer pointer:"<<in<<endl;　　cout<<"current consumer pointer:"<<out<<endl;　　}　　//生產(chǎn)者線程&

44、lt;/b>　　DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)　　{　　do{　　WaitForSingleObject(empty,INFINITE);

45、 //空緩沖區(qū)減1　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號(hào)量上鎖　　buffer[in]=in+1; //往Buffer中放入產(chǎn)品　　in=(in+1)%BUFFER_SIZE; 　　//放

46、入指針調(diào)整，為下次送出做準(zhǔn)備　　printAll();　　ReleaseMutex(mutex); //信號(hào)量解鎖　　ReleaseSemaphore(full,1,NULL); 　　//滿緩沖區(qū)加1，即當(dāng)公共資源增加時(shí)，調(diào)用函數(shù)ReleaseSemaphore

47、（）增加信號(hào)量　　}while(1);　　}　　//消費(fèi)者線程　　DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)

48、;　　{　　do{　　WaitForSingleObject(full,INFINITE); //滿緩沖區(qū)減1　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號(hào)量上鎖<p

49、>　　buffer[out]=0; //從Buffer中取出產(chǎn)品　　out=(out+1)%BUFFER_SIZE; //取指針調(diào)整，為下次取做準(zhǔn)備　　printAll();　　ReleaseMutex(mutex); //信號(hào)量解鎖

50、　　ReleaseSemaphore(empty,1,NULL); //空緩沖區(qū)加1　　}while(1);　　}　　//主線程　　int main()<p&g

51、t;　　{ //創(chuàng)建進(jìn)程　　DWORD producer[THREAD_NUM],consumer[THREAD_NUM];　　mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); // 用默認(rèn)屬性初始化一個(gè)互斥變量mutex　　HANDLE ThreadHandle[

52、THREAD_NUM];　　// 初始化信號(hào)量　　full=CreateSemaphore(NULL,0,10,NULL);　　empty=CreateSemaphore(NULL,10,10,NULL);　　//CreateThre

53、ade函數(shù)用來創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程，其六個(gè)參數(shù)分別表示為安全設(shè)置，堆棧大小，入口函數(shù)，函數(shù)參數(shù)，啟動(dòng)選項(xiàng)，輸出線程 ID，返回線程句柄　　for(int i=0;i<THREAD_NUM;i++)　　{　　ThreadHandle[i] = CreateThread(

54、NULL,0,Producer,NULL,0,&producer[i]);　　ThreadHandle[i] = CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumer[i]);　　ThreadHandle[i+1] = CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&

55、producer[i+1]);　　ThreadHandle[i+1] = CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumer[i+1]);　　}　　}

56、;　　6 程序運(yùn)行結(jié)果及分析　　6.1 運(yùn)行結(jié)果　　進(jìn)入Windows開發(fā)環(huán)境后，通過Vs2012編輯器在其中編寫。進(jìn)入Vs2012的命令，對(duì)程序執(zhí)行編譯運(yùn)行命令后，即可在屏幕上顯示出程序運(yùn)行的結(jié)果，其運(yùn)行結(jié)果如下圖5所示：　　7 總結(jié)&

57、lt;/p>　　其實(shí)在做這道題目時(shí)花費(fèi)了好長時(shí)間，第一點(diǎn)是書上大多介紹的是關(guān)于UNIX系統(tǒng)下的消費(fèi)者生產(chǎn)者線程問題，因此一開始調(diào)試不出來，后來查閱了有一些資料知道要在windows平臺(tái)下運(yùn)行必須要導(dǎo)入<pthread.h>以及<windows.h>兩個(gè)庫。　　通過這次課程設(shè)計(jì),不但加深了對(duì)操作系統(tǒng)這們課程的認(rèn)識(shí),而且還了解了操作系統(tǒng)中使用信號(hào)量

58、解決生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題算法的實(shí)現(xiàn)。比如：用信號(hào)量解決生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題時(shí)，可以通過一個(gè)有界緩沖區(qū)(用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，類似循環(huán)隊(duì)列)把生產(chǎn)者和消費(fèi)者聯(lián)系起來。假定生產(chǎn)者和消費(fèi)者的優(yōu)先級(jí)是相同的，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者就可以生產(chǎn)產(chǎn)品并將產(chǎn)品送入緩沖區(qū)。類似地，只要緩沖區(qū)未空，消費(fèi)者就可以從緩沖區(qū)中去走產(chǎn)品并消費(fèi)它。為了解決生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題，應(yīng)該設(shè)置兩個(gè)資源信號(hào)量，其中一個(gè)表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，用full表示，其初始值為有界緩沖區(qū)的大??；另一個(gè)表

59、示緩沖區(qū)中產(chǎn)品的數(shù)目，用empty表示，其初始值為0。另外，由于有界緩沖區(qū)是一個(gè)臨界資源，必須互斥使用，所以還需要再設(shè)置一個(gè)互斥信號(hào)量mutex，起初值為1。在生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題中，信號(hào)量實(shí)現(xiàn)兩種功能。首先，它是生產(chǎn)產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的初始值是可利用的資源數(shù)目(有界緩沖區(qū)的長度)。其次，它是確保產(chǎn)品的生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間動(dòng)作同步的同步器。　　生產(chǎn)者要生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，首先對(duì)資源信號(hào)量fu

60、ll和互斥信號(hào)量mute進(jìn)行操作，申請(qǐng)資源。如果可以通過的話，就生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，并把產(chǎn)品送入緩沖區(qū)。然后對(duì)互斥信號(hào)量mutex和資源信號(hào)量empty進(jìn)行操作，釋放資源。消費(fèi)者要消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，首先對(duì)資源信號(hào)量empty和互斥信號(hào)量mutex進(jìn)行操作，申請(qǐng)資源。如果可以通過的話，就從緩沖區(qū)取出一個(gè)產(chǎn)品并消費(fèi)掉。然后對(duì)互斥信號(hào)量mutex和資源信號(hào)量full進(jìn)行操作，釋放資源。　　另外，使我們體會(huì)最深

眾賞文庫> 全部分類> 畢業(yè)設(shè)計(jì)

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