操作系统实验1~9

实验一进程同步和互斥（建议4学时）一、实验目的1．掌握临界资源、临界区概念及并发进程互斥、同步访问原理。2．学会使用高级语言进行多线程编程的方法。3．掌握利用VC++或Java语言线程库实现线程的互斥、条件竞争，并编码实现P、V操作，利用P、V操作实现两个并发线程对有界临界区的同步访问。4．通过该实验，学生可在源代码级完成进程同步互斥方案的分析、功能设计、编程实现，控制进程间的同步、互斥关系。二、实验要求1．知识基础：学生应在完成进程和线程及调度等章节的学习后进行。2．开发环境与工具：硬件平台——个人计算机。软件平台-Windows操作系统，vc++语言或Java语言开发环境。3．运用高级语言VC++或Java语言线程库及多线程编程技术进行设计实现。三、实验内容1．实现临界资源、临界区、进程或线程的定义与创建。2．利用两个并发运行的进程，实现互斥算法和有界缓冲区同步算法。四、实验方案指导该实验方案由以下几个关键设计项目组成：1．并发访问出错。即设计一个共享资源，创建两个并发线程，二者并发访问该共享资源。当没有采用同步算法设计时，线程所要完成的某些操作会丢失。2．互斥锁。并发线程使用线程库提供的互斥锁，对共享资源进行访问。3．软件方法。设计并编程实现计数信号量、P操作函数、V操作函数，并发线程通过调用P，V操作函数实现线程的互斥。4．同步访问多缓冲区。利用上面的软件方法完成P，V操作，可实现两个线程对多缓冲区的同步访问。五、实验方案实现范例以下是对该项目中包含的部分设计功能的实现方法、实现过程、技术手段的描述，供师生参考。1．模拟线程并发运行。假设我们使用POSIX线程库，而POSIX并没有真正提供线程间的并发运行需求。我们设计的系统应支持符合RR调度策略的并发线程，每个线程运行一段时间后自动挂起，另一个线程开始运行。这样一个进程内所有线程以不确定的速度并发执行。2．模拟一个竞争条件——全局变量。创建两个线程tl和t2，父线程主函数main()定义两个全局变量accntl和accnt2，每个变量表示一个银行账户，初始化为0。每个线程模拟一个银行事务：将一定数额的资金从一个账户转到另一个账户。每个线程读入一个随机值，代表资金数额，在一个账户上做减法，在另一个账户上做加法，用两个变量记录两个账户的收支情况。良性情况下收支应平衡，即两个全局变量之和应为0。下面是每个线程的代码：counter=0;do{tmp1=accnt1;tmp2=accnt2;r=random();accnt1=tmp1+r;accnt2=tmp2-r;counter++;}while(accnt1+accnt2==0);printf(”%d”,counter);=====================================================================两个线程运行的代码相同，只要各自代码不被交叉执行，两个收支余额之和就应一直为如果线程被交叉执行，某个线程可能会读入一个旧的accntl值和一个新的accnt2值，或反，这样会导致某个值的丢失。当这种情况出现时，线程停止运行，并把出现情况的位置Counter的值）打印出来。3．模拟一个竞争条件——共享文件。主线程创建两个共享文件fl和f2，每个文件包含一个当前银行账户。线程使用随机数对文件进行读／写，方式同上。注意：文件在读／写过程中不要加互斥访问锁，以免不会出现交叉访问的情况。4．测试出现一个竞争条件的时间。我们的编程环境中，一般无法支持线程的RR调度，必须编程实现两个线程间在两个赋值语句之间插入以下代码：在指定区间（比如0到1）生成一个随机数，小于一个极限值（如0.1），调用线程自动挂起函数jield()，自动放弃CPU，另一运行，于是导致一个数据更新的丢失。5．互斥锁。POSIX线程库提供一个二值信号量，称为MUTEX，它可以加锁或解锁。如果已被另一个线程加上锁的MUTEX加锁，就会引发该线程被阻塞，MUTEX解锁时唤醒它。使用这些原语，很容易实现互斥进入CS（临界区）。进入CS区时加锁，离开CS区时解锁。系统负责阻塞或唤醒线程。6．用软件方法实现互斥访问临界区。用标准编程语言设置变量的值，用线程“忙等待”实现互斥访问CS。设计两线分代码如下：=====================================================================intcl=0,c2=0,will_wait;p1:while(l){cl=l;will_wait=l;while(c2&&(will_wait==1));/*忙等待*/csl;cl=0;programl;}p2:while(l){c2=1;will_wait=2;while(cl&&(will_wait==2);/*忙等待*/cs2;c2=0;program2;}=====================================================================该软件方法使用三个变量cl，c2，will_wait，解决两个线程的同步问题。两个线程分别将c1和c2设置为1，表示自己试图进入临界区，并将will_wait分别设置为1和2，以消除任何竞争条件。通过“忙等待”循环实现线程的阻塞。当线程退出CS区时，分别将变量c1和c2设置为0。我们可以比较互斥锁和软件方法这两种解决方法的效率。可以通过重复相同的循环次数，测量各自的执行时间，尽量减少可能的外部干扰，重复测试几次，并计算平均值。#includeiostreamusingnamespacestd;#includewindows.hDWORDWINAPIThreadProc1(LPVOIDlpParameter);DWORDWINAPIThreadProc2(LPVOIDlpParameter);HANDLEhMutex;intcounter=0,accnt1=0,accnt2=0,tmp1,tmp2,r;voidmain(){printf(开始服务:\n);HANDLEhandle1=CreateThread(NULL,0,ThreadProc1,NULL,0,NULL);HANDLEhandle2=CreateThread(NULL,0,ThreadProc2,NULL,0,NULL);CloseHandle(handle1);CloseHandle(handle2);hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/*控制主进程运行时间*/Sleep(5000);printf(服务结束\n);//getchar();//VS2008}DWORDWINAPIThreadProc1(LPVOIDlpParameter){while(accnt1+accnt2==0){WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);tmp1=accnt1;tmp2=accnt2;r=rand();accnt1=tmp1+r;accnt2=tmp2-r;counter++;printf(账户A完成转账--%d\n,counter);Sleep(100);ReleaseMutex(hMutex);}//printf(第%d次转账发生错误,counter);return0;}DWORDWINAPIThreadProc2(LPVOIDlpParameter){while(accnt1+accnt2==0){WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);tmp1=accnt1;tmp2=accnt2;r=rand();accnt1=tmp1+r;accnt2=tmp2-r;counter++;printf(账户B完成转账--%d\n,counter);Sleep(100);ReleaseMutex(hMutex);}//printf(第%d次转账发生错误,counter);return0;}实验二进程及其资源管理（建议4学时）一、实验目的1．理解资源共享与互斥特性，以及操作系统管理资源的基本方法。2．学会使用高级语言进行多线程编程的方法。3．掌握利用VC++或Java线程库实现一个管理器，用来实现操作系统对进程及其资源的管理功能。4．通过该实验，学生可在源代码级完成进程及其资源管理方案的分析、功能设计、编程实现，控制进程间的同步、互斥关系。二、实验要求1．知识基础：学生应在完成对进程和线程、调度、死锁等章节的学习后进行。2．开发环境与工具：硬件平台——个人计算机。软件平台——Windows操作系统，根据需要，任选安装VC++语言、java语言或C语言开发环境。三、实验内容1．开发一个函数，建立进程控制块和资源控制块结构，并实现相关数据结构的初始化。2．开发一系列操作，由进程调用这些操作，达到控制进程申请或释放各种资源的目的。四、实验方案指导该实验方案由以下几个关键设计项目组成：1．进程数据结构表示。2．资源数据结构表示。3．进程对资源的操作。4．调度程序。5．用户功能shell界面。五、实验方案实现范例以下是对该项目中包含的设计功能的实现方法、实现过程、技术手段的描述，供师生参考。1．进程数据结构表示。使用结构类型设计实现进程PCB表，它包含以下成员：①进程ID——进程的唯一标识，供其他进程引用该进程；②内存——是一个指针链表，它在创建进程时已申请完毕，可用链表实现；③其他资源——表示除去内存之外的所有资源；④进程状态——包括两个数据类型，一个是状态码，另一个是状态队列链表指针；⑤生成树——包括两个数据类型，本进程的父进程和本进程的子进程；⑥优先级——供进程调度程序使用，用来确定下一个运行进程，可以设定为静态整数。2．资源数据结构。每个资源都用一个称为资源控制块的数据结构表示。使用结构类型设计实现资源控制块RCB。资源控制块包括以下字段成员：①RID-资源的唯一标识，由进程引用；②资源状态——空闲／已分配；③等待队列——是被本资源阻塞的进程链表，本资源正被其他所有资源都设定为静态数据，系统启动时初始化。3．进程管理及进程对资源的操作。进程操作及进程状态转换归纳如下：①进程创建——（无）→就绪；②申请行→阻塞；③资源释放——阻塞→就绪；④删除进程——（任何状态）→（无）；——就绪→运行或运行→就绪。具体实现步骤如下：(1)根据上述数据结构，用高级语言设计相应函数，分别实现创建进程、删除进程、挂起进程、唤醒进程等功能。(2)设计一个函数，实现调度程序，在每个进程操作执行完毕后，自动调用执行。(3）实现两个资源操作：申请资源和释放资源。相关参考算法如下：=====================================================================request(RID)/*申请资源算法*/{r=get_RCB(RID);/*获取资源控制块首地址*/if(r-status==’free’){/*资源可用*/r-status=’allocated’;/*分配给调用进程，*/insert(self-other_resources,r);}/*插入一个RCB指针指向进程资源链表；*/else{/*资源不可用*/self-status.type=’blocked’;/*记录阻塞*/self-status.list=r;/*指向所请求资源的RCB*/.remove(RL,self);/*将进程从就绪队列中删除*/insert(r-waiting_list,self);}/*插入资源等待队列*/scheduler();/*调度程序运行选择下一个运行进程*/release(RID)/*释放资源算法*/{r=get_RCB(RID);/*获取资源控制块首地址*/remove(self-other_resource,r);/*从进程资源链表中删除该资源*/if(waiting_list==NULL)