操作系統(tǒng)：編程模擬多進(jìn)程共享臨界資源linux,c語言

1、一、課程設(shè)計目的本課程設(shè)計是學(xué)生學(xué)習(xí)完計算機(jī)操作系統(tǒng)課程后，進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，通過課程設(shè)計，讓學(xué)生更好地掌握操作系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)方法,加深對操作系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和重要算法的理解，加強(qiáng)學(xué)生的動手能力。二、課程設(shè)計要求從課程設(shè)計的目的出發(fā)，通過設(shè)計工作的各個環(huán)節(jié)，達(dá)到以下教學(xué)要求：每位同學(xué)從所給題目中任選一個（如自擬題目，需經(jīng)教師同意），且必須獨立完成課程設(shè)計，不能相互抄襲。設(shè)計完成后，將所完成的作品交由老師檢查。要求寫出一份詳細(xì)的設(shè)計報告。三、課程設(shè)計題目編程模擬多進(jìn)程共享臨界資源四、課程設(shè)計功能和目標(biāo)1、要求產(chǎn)生至少3個進(jìn)程：2、兩個進(jìn)程模擬需要進(jìn)入臨界區(qū)的用戶進(jìn)程，當(dāng)需要進(jìn)入臨界區(qū)時，顯

2、示：“進(jìn)程x請求進(jìn)入臨界區(qū)”，同時向管理進(jìn)程提出申請；在臨界區(qū)中等待一段隨機(jī)時間，并顯示：“進(jìn)程x正在臨界區(qū)”；當(dāng)時間結(jié)束，顯示：“進(jìn)程x退出臨界區(qū)”,同時向管理進(jìn)程提出退出申請。3、一個進(jìn)程作為原語級管理進(jìn)程，接受其他進(jìn)程的臨界區(qū)進(jìn)入請求：如果允許進(jìn)入，則設(shè)置相應(yīng)變量，然后返回；如果不允許進(jìn)入，則進(jìn)入循環(huán)等待，直到允許為止；4、對臨界區(qū)的訪問應(yīng)遵循空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待、讓權(quán)等待的準(zhǔn)則。5、進(jìn)程間通信可以采用信號、消息傳遞、管道或網(wǎng)絡(luò)通信方式。五、課程設(shè)計實現(xiàn)原理 通過編寫，創(chuàng)建兩個進(jìn)程模擬需要進(jìn)入臨界區(qū)，另外編寫一個進(jìn)程作為原語的管理進(jìn)程，其負(fù)責(zé)兩個進(jìn)程的進(jìn)入！接著設(shè)置一個臨界區(qū)，讓

3、其進(jìn)程在其中訪問遵循空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待、讓權(quán)等待的準(zhǔn)則。當(dāng)進(jìn)程和臨界區(qū)建立好后，臨界區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸，受到了系統(tǒng)硬件的支持，不耗費多余的資源；而進(jìn)程間通信傳遞，由軟件進(jìn)行控制和實現(xiàn)，需要消耗一定的CPU資源。從這個意義上講，臨界區(qū)更適合頻繁和大量的數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)程信息的傳遞，自身就帶有同步的控制。當(dāng)?shù)鹊叫畔⒌臅r候，進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，不再消耗CPU資源。而共享隊列如果不借助其他機(jī)制進(jìn)行同步，接收數(shù)據(jù)的一方必須進(jìn)行不斷的查詢，白白浪費了大量的CPU資源。六、課程設(shè)計思想、方法和技術(shù)（含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、流程圖）6.1、 設(shè)計思想和設(shè)計函數(shù)功能：6.1.1 、總體構(gòu)思：軟件主要是由兩部分組成：用戶

4、進(jìn)程和管理進(jìn)程; 管理進(jìn)程：控制設(shè)置相應(yīng)的臨界區(qū)，實現(xiàn)對臨界區(qū)的訪問應(yīng)遵循空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待、讓權(quán)等待的準(zhǔn)則。用戶進(jìn)程：循環(huán)的隨機(jī)申請進(jìn)入臨界區(qū)，進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行一段時間，再申請結(jié)束。6.1.2 、具體功能：用戶進(jìn)程隨機(jī)的進(jìn)入cpu執(zhí)行，先向在信息隊列中寫入自己的信息（已經(jīng)約定好的信息類型）然后給管理進(jìn)程發(fā)送信號（告知管理進(jìn)程申請進(jìn)入臨界區(qū)并已在消息隊列中寫入自己的信息）。然后循環(huán)的讀取管理進(jìn)程給用戶進(jìn)程發(fā)回的回饋信息（針對當(dāng)前臨界區(qū)的狀態(tài)）允許進(jìn)入、臨界區(qū)忙等待。如果允許進(jìn)入則在臨界區(qū)執(zhí)行一段時間以后，申請退出，給管理進(jìn)程發(fā)退出的信號，管理進(jìn)程再給用戶進(jìn)程發(fā)送回饋信息。取會指導(dǎo)回饋信

5、息以后則這次過程結(jié)束，進(jìn)入新的過程。 管理進(jìn)程接收申請進(jìn)入的信號，在消息隊列中取下申請進(jìn)入隊列的用戶進(jìn)程的信息，針對當(dāng)前臨界區(qū)狀態(tài)，寫一個回饋信息放入消息隊列。6.2、包含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)6.1.1 、臨界區(qū)：Struct crform Int sem; /臨界區(qū)的信號量值sem Int head; /臨界區(qū)等待隊列的頭，指向的是最先到的進(jìn)程Int tail; /臨界區(qū)等待隊列的尾，指向的是進(jìn)入等待隊列的進(jìn)程 Int duilie20; /存放的是等待的進(jìn)程的信息，以便喚醒cr; Cr.sem=1; /初始臨界區(qū)信號量必須為一，因為只允許一個進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)Cr.head=0; /初始時指向等待隊列的

6、第一個單元Cr.tail=0;6.1.2 、消息隊列：Struct msgform Long msgtype; /消息的類型，在取消息隊列時用于區(qū)分哪些是該取的信息 Int mtext; /信息的內(nèi)容，在這里是申請退出進(jìn)程的信息 ;6.3、主要用到的技術(shù)6.3.1進(jìn)程創(chuàng)建和控制：系統(tǒng)調(diào)用：fork（）包含頭文件<unistd.h> 關(guān)鍵的語句： int x,y; while(x=fork()=-1);/創(chuàng)建子進(jìn)程1 if(x=0) /子進(jìn)程1執(zhí)行程序段 else while(y=fork()=-1); if(y=0) /子進(jìn)程2執(zhí)行程序段 else /父進(jìn)程執(zhí)行程序段 6.3.2軟

7、中斷：系統(tǒng)調(diào)用kill（）和signal（）包含頭文件：<sys/types.h>和<signal.h> Kill(pid,signalname) 發(fā)送信號給pid號為pid的進(jìn)程，中斷類型為signalname6.3.3消息隊列：系統(tǒng)調(diào)用msgget()、msgsnd()、msgrev()、msgctl()包含頭文件：<sys/msg.h>6.4、設(shè)計流程圖圖1 用戶進(jìn)程流程圖圖2 管理進(jìn)程圖3 申請進(jìn)入臨界區(qū)處理子進(jìn)程圖4 申請退出處理子程序七、運行環(huán)境Linux操作系統(tǒng)C+編譯器八、開發(fā)工具和編程語言開發(fā)工具：C+編譯器編程語言：C語言九、詳細(xì)設(shè)計子函

8、數(shù)一：void into()/申請進(jìn)入臨界區(qū) msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); sem-;一旦申請進(jìn)入臨界區(qū)，減一 msgrcv(msgqid,&msg,4,1,0); /接收消息-申請進(jìn)入進(jìn)程發(fā)送的類型為1 msg.msgtype=msg.mtext; /并把接收到的消息內(nèi)容作為回饋消息的消息類型 if(sem>=0) /判斷此時進(jìn)程的狀態(tài)，sem>=0 可以獲得臨界區(qū) if(msg.mtext=3) printf(" p1 IN areann"); else printf(" p2 IN arean

9、n"); msg.mtext=1; /現(xiàn)在允許進(jìn)入，發(fā)送內(nèi)容為1的消息給申請進(jìn)程 msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); else if(msg.mtext=3) printf(" p1 IN waitingnn"); else printf(" p2 IN waitingnn"); cr.duilietail=msg.mtext; tail+; msg.mtext=-1; msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); /若臨界區(qū)忙，發(fā)送進(jìn)入等待隊列的消息給申請進(jìn)入的進(jìn)程 子

10、函數(shù)二： void out() msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); msgrcv(msgqid,&msg,4,2,0); /從消息隊列上取下申請退出的消息 sem+; if(tail!=head) /查看等待隊列中是否有等待進(jìn)入臨界區(qū)的隊列 /有則喚醒等待隊列中等待的進(jìn)程，并允許申請退出的進(jìn)程退出 if(msg.mtext=3) printf(" p1 OUT areann"); else printf(" p2 OUT areann"); msg.msgtype=msg.mtext; msg.mtext=

11、0; msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); pid2=cr.duilietail; tail+; msg.mtext=1; msg.msgtype=pid2; if(pid2=3) printf(" p1 IN areann"); else printf(" p2 IN areann"); msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); msg.mtext=1; else/如果等待隊列上沒有等待進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程，直接向申請退出的進(jìn)程發(fā)送消息，允許退出 if(msg.mtext=3) p

12、rintf(" p1 OUT areann"); else printf(" p2 OUT areann"); msg.msgtype=msg.mtext; msg.mtext=0; msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); int main() int sem=1; int head=0; int tail=0; int msgqid1; msgqid1=msgget(MSGKEY,0777); msgctl(msgqid1,IPC_RMID,NULL); int m1,m2; int q,t; int pid; q

13、=MAXTIMES; t=MAXTIMES; int count1,count2; struct msgform msg; int msgqid; pid=getpid(); signal(10,into); /建立連接，收到軟中斷后轉(zhuǎn)向INTO子處理程序signal(12,out); / 建立連接，收到軟中斷后轉(zhuǎn)向OUT子處理程序 msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /獲取消息隊列的隊列號 while(p1=fork()=-1); if(p1=0) count1=10; while(count1>0) q=MAXTIMES; /設(shè)置有限等待次數(shù)

14、msg.mtext=3; msg.msgtype=1; /申請進(jìn)入臨界區(qū)的消息類型都為1 printf(" p1 Qing IN areann"); msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); /發(fā)送申請進(jìn)入的消息 kill(pid,10); /發(fā)送申請進(jìn)入的信號 while(q>0) msgrcv(msgqid,&msg,sizeof(int),3,0); /接收管理進(jìn)程發(fā)送的回饋信息 m1=msg.mtext; if(m1=1) /判斷回饋信息，有三種情況：允許進(jìn)入，忙進(jìn)入等待隊列、允許退出 msg.msgtype=2;

15、msg.mtext=3; printf(" p1 Qing OUT areann"); msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); kill(pid,12); continue; else if(m1=-1) q-; else if(m1=0) break; sleep(8); count1-; else while(p2=fork()=-1); if(p2=0) count2=10; while(count2>0) t=MAXTIMES; msg.mtext=4; msg.msgtype=1; printf(" p2 Qi

16、ng IN areann"); msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); kill(pid,10); while(t>0) msgrcv(msgqid,&msg,4,4,0); m2=msg.mtext; if(m2=1) msg.msgtype=2; msg.mtext=4; printf(" p2 Qing OUT areann"); msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); kill(pid,12); continue; else if(m2=0) break; sleep

17、(8); count2-; else while(1) sleep(8); 十 調(diào)試分析在作這個課題過程中遇到了主要的這樣幾個問題：u 消息隊列不能正常使用錯誤原因1： 消息隊列沒有建立成功解決辦法： 在用消息隊列之初先刪除這個隊列，然后再建立使用錯誤原因2： 取到的結(jié)果總出現(xiàn)錯誤，沒有統(tǒng)一的消息類型解決辦法： 定制統(tǒng)一的消息類型規(guī)則，依照規(guī)則使用消息類型錯誤原因3： 進(jìn)程需要的消息已經(jīng)被取走，使得進(jìn)程停留在取消息這一步不向下執(zhí)行解決辦法： 是程序邏輯上的問題，仔細(xì)查看程序流程并操控好使得可以處于正常邏輯u 申請到臨界區(qū)退出臨界區(qū)顯示滯后（如有時會顯示“進(jìn)程一 獲得臨界區(qū)”然后“進(jìn)程二 退出臨

18、界區(qū)”）錯誤原因: 在管理進(jìn)程中已經(jīng)將臨界區(qū)狀態(tài)修改為空閑，卻沒有顯示哪個進(jìn)程退出臨界區(qū)，這個退出的信息必須等到子進(jìn)程上cpu時才會顯示出來，而這中間有別的進(jìn)程上cpu執(zhí)行申請的操作，就會獲得臨界區(qū)，就會顯示“進(jìn)程獲得臨界區(qū)”，在此后退出臨界區(qū)的進(jìn)程才上cpu顯示“退出臨界區(qū)”。解決辦法： 將顯示放到管理進(jìn)程中，一旦有進(jìn)程獲得臨界區(qū)或者退出臨界區(qū)就做出顯示。7 測試結(jié)果測試截圖：圖1 主程序運行界面圖2 主程序運行界面 圖3 主程序運行界面參考文獻(xiàn)1 任滿杰等操作系統(tǒng)原理實用教程 電子工業(yè)出版社 2006任滿杰/dp/B0011BURI2/475-6225805-5830756?ie=UTF8

19、&*Version*=1&*entries*=02 張堯?qū)W 宋紅 張高編著計算機(jī)操作系統(tǒng)教程實驗指導(dǎo) 清華大學(xué)出版社 第四版5 賽奎春、張雨 編著，Visual C+ 工程應(yīng)用與項目實踐，海洋出版社，2005.1心得體會這次操作系統(tǒng)課設(shè)給了我很大的啟發(fā)和提高。一直以來自己我的編程基礎(chǔ)不太好，常出現(xiàn)邏輯混亂，不注重細(xì)節(jié)問題，在這門課中我有了更深的理解；科學(xué)是不允許錯誤的，需要認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。也正是因為如此我才有了進(jìn)步。理論聯(lián)系實際，總會有更深刻的收獲，通過這樣的實際思考，動手修改操作，對理論有了深層次的理解，更加證實了理論，打消了心中不切實際的一些想法。慢慢的會形成自己的一個實際

20、經(jīng)驗，為日后的工作學(xué)習(xí)打下心里和知識上的基礎(chǔ)。小學(xué)期的課程真是緊張而又充實，確實是收獲很多，心中也增加了幾分自信，對未來的工作有更大的信息。程序源代碼（工程）#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>#include<signal.h>#define MAXTIMES 5#define MSGKEY 56int p,p1,p2,pi

21、d1,pid2,pid3,pid4;int msgqid,*pint1,*pint2,*pint3,*pint4;struct crform int sem; int head; int tail; int duilie10;cr;int sem=1;int head=0;int tail=0;struct msgform long msgtype; int mtext;msg;void into() msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); sem-; msgrcv(msgqid,&msg,4,1,0); msg.msgtype=msg.mtext;

22、 if(sem>=0) if(msg.mtext=3) printf(" p1 IN areann"); else printf(" p2 IN areann"); msg.mtext=1; msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); else if(msg.mtext=3) printf(" p1 IN waitingnn"); else printf(" p2 IN waitingnn"); cr.duilietail=msg.mtext; tail+; msg.mtex

23、t=-1; msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); void out() msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); msgrcv(msgqid,&msg,4,2,0); sem+; if(tail!=head) if(msg.mtext=3) printf(" p1 OUT areann"); else printf(" p2 OUT areann"); msg.msgtype=msg.mtext; msg.mtext=0; msgsnd(msgqid,&msg,si

24、zeof(int),0); pid2=cr.duilietail; tail+; msg.mtext=1; msg.msgtype=pid2; if(pid2=3) printf(" p1 IN areann"); else printf(" p2 IN areann"); msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); msg.mtext=1; else if(msg.mtext=3) printf(" p1 OUT areann"); else printf(" p2 OUT areann&

25、quot;); msg.msgtype=msg.mtext; msg.mtext=0; msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0); int main() int sem=1; int head=0; int tail=0; int msgqid1; msgqid1=msgget(MSGKEY,0777); msgctl(msgqid1,IPC_RMID,NULL); int m1,m2; int q,t; int pid; q=MAXTIMES; t=MAXTIMES; int count1,count2; struct msgform msg; int msgqid; pid=getpid(); signal(10,into); signal(12,out); msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); while(p1=fork()=-1); if(p1=0) count1=10; while(count1>0) q=MAXTIMES; m