實驗報告五-生產(chǎn)者和消費者問題

實驗報告五——生產(chǎn)者和消費者問題姓名：叢菲學(xué)號：20230830205班級：信息平安二班一、實習(xí)內(nèi)容1、模擬操作系統(tǒng)中進程同步和互斥2、實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者問題的算法實現(xiàn)二、實習(xí)目的1、熟悉臨界資源、信號量及PV操作的定義與物理意義2、了解進程通信的方法3、掌握進程互斥與進程同步的相關(guān)知識4、掌握用信號量機制解決進程之間的同步與互斥問題5、實現(xiàn)生產(chǎn)者－消費者問題，深刻理解進程同步問題三、實習(xí)題目在Linux操作系統(tǒng)下用C實現(xiàn)經(jīng)典同步問題：生產(chǎn)者—消費者，具體要求如下：(1)一個大小為10的緩沖區(qū)，初始狀態(tài)為空。(2)2個生產(chǎn)者，隨機等待一段時間，往緩沖區(qū)中添加數(shù)據(jù)，假設(shè)緩沖區(qū)已滿，等待消費者取走數(shù)據(jù)之后再添加，重復(fù)10次。(3)2個消費者，隨機等待一段時間，從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，假設(shè)緩沖區(qū)為空，等待生產(chǎn)者添加數(shù)據(jù)之后再讀取，重復(fù)10次。提示本實驗的主要目的是模擬操作系統(tǒng)中進程同步和互斥。在系統(tǒng)進程并發(fā)執(zhí)行異步推進的過程中，由于資源共享和進程間合作而造成進程間相互制約。進程間的相互制約有兩種不同的方式?！?〕間接制約。這是由于多個進程共享同一資源〔如CPU、共享輸入/輸出設(shè)備〕而引起的，即共享資源的多個進程因系統(tǒng)協(xié)調(diào)使用資源而相互制約?！?〕直接制約。只是由于進程合作中各個進程為完成同一任務(wù)而造成的，即并發(fā)進程各自的執(zhí)行結(jié)果互為對方的執(zhí)行條件，從而限制各個進程的執(zhí)行速度。生產(chǎn)者和消費者是經(jīng)典的進程同步問題，在這個問題中，生產(chǎn)者不斷的向緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)，而消費者那么從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者進程和消費者對緩沖區(qū)的操作是互斥，即當前只能有一個進程對這個緩沖區(qū)進行操作，生產(chǎn)者進入操作緩沖區(qū)之前，先要看緩沖區(qū)是否已滿，如果緩沖區(qū)已滿，那么它必須等待消費者進程將數(shù)據(jù)取出才能寫入數(shù)據(jù)，同樣的，消費者進程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)之前，也要判斷緩沖區(qū)是否為空，如果為空，那么必須等待生產(chǎn)者進程寫入數(shù)據(jù)才能讀取數(shù)據(jù)。在本實驗中，進程之間要進行通信來操作同一緩沖區(qū)。一般來說，進程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為兩種：即控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時，也把進程間控制在本實驗中，進程之間要進行通信來操作同一緩沖區(qū)。一般來說，進程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為兩種：即控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時，也把進程間控制信息的交換稱為低級通信，而把進程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。目前，計算機系統(tǒng)中用得比擬普遍的高級通信機制可分為3大類：共享存儲器系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)及管道通信系統(tǒng)。共享存儲器系統(tǒng)共享存儲器系統(tǒng)為了傳送大量數(shù)據(jù)，在存儲器中劃出一塊共享存儲區(qū)，諸進程可通過對共享存儲區(qū)進行讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)以實現(xiàn)通信。進程在通信之前，向系統(tǒng)申請共享存儲區(qū)中的一個分區(qū)，并為它指定一個分區(qū)關(guān)鍵字。信息的交換稱為低級通信，而把進程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。目前，計算機系統(tǒng)中用得比擬普遍的高級通信機制可分為3大類：共享存儲器系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)及管道通信系統(tǒng)。消息傳遞系統(tǒng)在消息傳遞系統(tǒng)中，進程間的數(shù)據(jù)交換以消息為單位，在計算機網(wǎng)絡(luò)中被稱為報文。消息傳遞系統(tǒng)的實現(xiàn)方式又可以分為以下兩種：(1)直接通信方式發(fā)送進程可將消息直接發(fā)送給接收進程，即將消息掛在接收進程的消息緩沖隊列上，而接收進程可從自己的消息緩沖隊列中取得消息。(2)間接通信方式發(fā)送進程將消息發(fā)送到指定的信箱中，而接收進程從信箱中取得消息。這種通信方式又稱信箱通信方式，被廣泛地應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)中。相應(yīng)地，該消息傳遞系統(tǒng)被稱為電子郵件系統(tǒng)。管道通信系統(tǒng)向管道提供輸入的發(fā)送進程，以字符流方式將大量的數(shù)據(jù)送入管道，而接收進程從管道中接收數(shù)據(jù)。由于發(fā)送進程和接收進程是利用管道進行通信的，故稱為管道通信。為了協(xié)調(diào)發(fā)送和接收雙方的通信，管道通信機制必須提供以下3方面的協(xié)調(diào)功能?！?〕互斥當一個進程正在對pipe文件進行讀或?qū)懖僮鲿r，另一個進程必須等待?！?〕同步當寫進程把一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寫入pipe文件后，便阻塞等待，直到讀進程取走數(shù)據(jù)后，再把寫進程喚醒?！?〕確認對方是否存在只有確定對方已存在時，才能進行管道通信，否那么會造成因?qū)Ψ讲淮嬖诙鵁o限制地等待。在這個問題當中，我們采用信號量機制進行進程之間的通信，設(shè)置兩個信號量，空的信號量和滿的信號量。在Linux系統(tǒng)中，一個或多個信號量構(gòu)成一個信號量集合。使用信號量機制可以實現(xiàn)進程之間的同步和互斥，允許并發(fā)進程一次對一組信號量進行相同或不同的操作。每個P、V操作不限于減1或加1，而是可以加減任何整數(shù)。在進程終止時，系統(tǒng)可根據(jù)需要自動消除所有被進程操作過的信號量的影響1．緩沖區(qū)采用循環(huán)隊列表示，利用頭、尾指針來存放、讀取數(shù)據(jù)，以及判斷隊列是否為空。緩沖區(qū)中數(shù)組大小為10；2．利用隨機函數(shù)rand()得到A～Z的一個隨機字符，作為生產(chǎn)者每次生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，存放到緩沖區(qū)中；3.使用shmget()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)共享主存段的創(chuàng)立，shmget()返回共享內(nèi)存區(qū)的ID。對于已經(jīng)申請到的共享段，進程需把它附加到自己的虛擬空間中才能對其進行讀寫。4.信號量的建立采用semget()函數(shù)，同時建立信號量的數(shù)量。在信號量建立后，調(diào)用semctl()對信號量進行初始化，例如本實習(xí)中，可以建立兩個信號量SEM_EMPTY、SEM_FULL，初始化時設(shè)置SEM_EMPTY為10，SEM_FULL為0。使用操作信號的函數(shù)semop()做排除式操作，使用這個函數(shù)防止對共享內(nèi)存的同時操作。對共享內(nèi)存操作完畢后采用shmctl()函數(shù)撤銷共享內(nèi)存段。5.使用循環(huán)，創(chuàng)立2個生產(chǎn)者以及2個消費者，采用函數(shù)fork()創(chuàng)立一個新的進程。6．一個進程的一次操作完成后，采用函數(shù)fflush()刷新緩沖區(qū)。7．程序最后使用semctl()函數(shù)釋放內(nèi)存。模擬程序的程序流程圖如下所示：1.主程序流程圖：2.生產(chǎn)者進程流程圖3.消費者進程流程圖4.P操作流程圖5.V操作流程圖四、實現(xiàn)代碼為：//exet5.cpp//#include"stdafx.h"#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#definemSIZE3#definepSIZE20staticintmemery[mSIZE]={0};staticintprocess[pSIZE]={0};//staticintprocess[pSIZE]={2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2};//staticintprocess[pSIZE]={7,10,1,2,10,3,10,4,2,3,10,3,2,1,2,10,1,7,10,1};voidbuild();voidLRU();intmain(intargc,char*argv[]){printf("Randomsequenceisasfollows:\n");build();printf("\nInvokingLRUAlgorithn:\n");LRU();return0;}voidbuild(){inti=0;for(i=0;i<pSIZE;i++){process[i]=(int)(10.0*rand()/(RAND_MAX));printf("%d",process[i]);}printf("\n");}voidLRU(){intflag[mSIZE]={0};inti=0,j=0;intm=-1,n=-1;intmax=-1,maxflag=0;intcount=0;for(i=0;i<pSIZE;i++){//FindthefirstfreePhysicalBlockfor(j=0;j<mSIZE;j++){if(memery[j]==0){m=j;break;}}//Findiftherearesameprocessesfor(j=0;j<mSIZE;j++){if(memery[j]==process[i]){n=j;}}//FindfreePBfor(j=0;j<mSIZE;j++){if(flag[j]>maxflag){maxflag=flag[j];max=j;}}if(n==-1)//Findnosameprocess{if(m!=-1)//findfreePB{memery[m]=process[i];flag[m]=0;for(j=0;j<=m;j++){flag[j]++;}m=-1;}else//NOfindfreePB{memery[max]=process[i];flag[max]=0;for(j=0;j<mSIZE;j++){flag[j]++;}max=-1;maxflag=0;count++;}}else//Findsameprocess{memery[n]=process[i];flag[n]=0;if(m!=-1)//findfreePB{flag[m]=0;}for(j=0;j<mSIZE;j++){flag[j]++;}max=-1;maxflag=0;n=-1;}for(j=0;j<mSIZE;j++){printf("%d",memery[j]);}printf("\n");}printf("\nThetimesofpageconversionis:%d\n",count);}五、在虛擬機上的具體操作及結(jié)果執(zhí)行exe5.c文件選擇ApplicationsAcecessoriesTerminal,執(zhí)行文件：依次預(yù)處理編譯匯編連接執(zhí)行用文件，編譯通過之后-o執(zhí)行。報錯?。。?！錯誤顯示為很多頭文件沒有預(yù)定義。連續(xù)查找之后得知原因是鏈接不上pthread庫在執(zhí)行命令后面加上-pthread，即新命令格式為：gcc-oexe5exe5.c–lpthread，重新執(zhí)行后的結(jié)果顯示如下截圖：其中1表示緩沖區(qū)被生產(chǎn)者producer1或者二producer2寫入了Item，0表示沒有寫入數(shù)據(jù)或者被消費者consumer1或者consumer2消耗掉六、實驗總結(jié)及思考1、本次實驗是關(guān)于生產(chǎn)者與消費者之間互斥和同步的問題。問題的