操作系统进程同步实验报告

华侨大学计算机科学与技术学院

操作系统实验报告

进程同步

课程名称：       操作系统实验                       

实验项目名称：        进程同步                      

学    院：    计算机科学与技术学院               

专业班级：                                                    

姓    名：                                                       

学    号：                                                       

目录

1.描述及需求分析... 2

1.1 实验目标... 2

1.2 问题描述... 3

1.3实验要求... 3

1.4 输入形式... 3

1.5 输出形式... 3

2实验设计... 3

3. 无信号量实现线程互斥... 4

3.1使用类以及变量的说明... 4

3.2包含的核心方法及函数解析... 4

3.3 实验结果与分析... 6

4 互斥信号量mutex实现线程互斥... 6

4.1 使用类以及变量的说明... 6

4.2 包含的核心方法及函数解析... 7

4.3 实验结果与分析... 8

5 同步信号量full empty实现线程同步... 8

5.1 实验设计... 8

5.2 使用类以及变量的说明... 9

5.3 包含的核心函数解析... 9

5.4 实验结果与分析... 10

6 同时使用信号量实现生产者-消费者的互斥与同步... 10

6.1设计思想... 10

6.2 使用类以及变量的说明... 11

6.3 包含的核心方法及函数解析... 11

6.4 实验结果与分析... 13

7实验总结... 13

8 附录... 14

无信号量实现线程互斥... 14

互斥信号量mutex实现线程互斥... 17

同步信号量full empty 实现线程同步... 18

同时使用信号量实现生产者-消费者的互斥与同步... 20

1.描述及需求分析

1.1 实验目标

1.  理解进程同步的两种制约关系：互斥与同步。

2.  掌握利用记录型信号量解决进程同步问题的方法。

3.  加深对进程同步控制的理解。

1.2 问题描述

以生产者-消费者模型为基础，在Windows环境下创建一个控制台进程（或者界面进程），在该进程中创建读者写者线程模拟生产者和消费者。写者线程写入数据，然后将数据放置在一个空缓冲区中供读者线程读取。读者线程从缓冲区中获得数据，然后释放缓冲区。当写者线程写入数据时，如果没有空缓冲区可用，那么写者线程必须等待读者线程释放出一个空缓冲区。当读者线程读取数据时，如果没有满的缓冲区，那么读入线程将被阻塞，直到新的数据被写进去。

1.3实验要求

设计并实现一个进程，该进程拥有一个生产者线程和一个消费者线程，它们使用N个不同的缓冲区（N为一个确定的数值，本实验中取N=16）。可以作如下的实验尝试，并观察和记录进程同步效果：

• 没有信号量时实现生产者线程与消费者线程互斥制约。

• 用以下信号量实现生产者线程与消费者线程互斥制约：

一个互斥信号量mutex，用以阻止生产者线程和消费者线程同时操作缓冲区列表。

• 用以下信号量实现生产者线程与消费者线程的同步制约：

一个信号量full，当生产者线程生产出一个物品时可以用它向消费者线程发出信号。

一个信号量empty，消费者线程释放出一个空缓冲区时可以用它向生产者线程发出信号。

• 同时使用（2）（3）中的信号量实现生产者-消费者的互斥与同步制约。

1.4 输入形式

无

1.5 输出形式

【线程名】生产/消费一个产品，现库存

2实验设计

生产者、消费者共享一个初始为空、大小为max_size=16的缓冲区。

只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待（同步）

只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待（同步）

缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。（互斥）

3. 无信号量实现线程互斥

  

3.1使用类以及变量的说明

Producer生产者类：定义线程任务类Producer实现Runnable接口，含Storage对象成员变量、无参构造、有参构造，重写run方法，run方法做的事情是线程启动时，会自动循环执行休眠一秒，调用Storage对象的produce方法，生产一个产品的操作。

Consumer消费者类：定义线程任务类Consumer实现Runnable接口，含Storage对象成员变量、无参构造，有参构造，重写run方法，run方法做的事情是线程启动时，会自动循环执行休眠一秒，调用Storage对象的consume方法，消费产品的操作。

Storage仓库类：声明两个私有成员变量：仓库最大容量MAX_SIZE = 16和仓库的存储载体数据结构为链表LinkedList，产品类型用Object模拟。该类提供了了consume和produce方法，以便上述两个任务类调用。

测试类Main：以有参构造器的方式初始化 Producer和Consumer任务对象，将任务对象交给Thread线程类处理，调用线程对象start方法启动线程。

3.2包含的核心方法及函数解析

Producer类的run()方法

当使用对象实现接口 Runnable 来创建线程时，启动该线程会导致在该单独执行的线程中调用对象的 run 方法，自动循环执行休眠一秒，调用Storage对象的produce方法，生产一个产品的操作。

Consumer类的run()方法

当使用对象实现接口 Runnable 来创建线程时，启动该线程会导致在该单独执行的线程中调用对象的 run 方法，自动循环执行休眠一秒，调用Storage对象的consume方法，消费产品的操作。

Storage类的produce()方法

如果仓库里再放一个产品会大于仓库的最大容量16的话，说明此时仓库已满，这时给出提示信息：生产者线程名仓库已满，调用父类Object的wait方法，将该线程放入阻塞队列，直到它被唤醒。当跳出while循环时，说明仓库还没有放满产品，满足生产的条件，执行list对象的 add方法，给出提示信息：生产者线程名生产一个产品，现库存为list.size，完成这些后list调用notify方法向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

Storage类的consume()方法

如果仓库容量为0的话，说明此时仓库已空，这时给出提示信息：消费者线程名仓库为空，调用父类Object的wait方法，将该线程放入阻塞队列，直到它被唤醒。当跳出while循环时，说明有库存，满足消费的条件，执行list对象的 remove方法，给出提示信息：消费者线程名消费一个产品，现库存为list.size，完成这些后list调用notify方法向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

刚开始仓库容量为0，若消费者线程先抢到锁对象list(此处共享资源作为锁对象)，消费者线程顺利进入同步代码块，发现list.size长度为0，消费者线程自动释放锁，进入阻塞队列，等待被唤醒，此时生产者线程执行，顺利得到锁，判断不满足While条件，跳出，生产一个产品，唤醒其他沉睡的线程：“快起来吧，有产品可以消费了”并释放锁资源。………

当发现仓库的容量为满时，生产者线程给出提示：生产者线程名称仓库已满。然后调用wait方法，释放锁资源，该线程被阻塞，消费者线程顺利拿到锁，开始执行，判断经不满足While条件，跳出While循环，消费掉一个产品， list响应减1，给出提示：“消费者线程名称消费一个产品，现库存”，并唤醒其他线程。

测试类Main：

Thread p1 = new Thread(new Producer(storage));

Thread c1 = new Thread(new Consumer(storage));

p1.start();

c1.start();

‘new’两个任务类，交给两个线程，调用start方法，两个线程同步启动，自动执行为各自量身定制的run方法

生产者线程：睡1秒，生产，循环执行

消费者线程：睡3秒，消费，循环执行

3.3 实验结果与分析

4 互斥信号量mutex实现线程互斥

4.1 使用类以及变量的说明

Storage仓库类声明两个私有成员变量：

仓库最大容量MAX_SIZE = 16

仓库的存储载体数据结构为链表LinkedList

互斥信号量mutex，产品类型用Object模拟

该类提供了了consume和produce方法，以便上述两个任务类调用。

其他三个类和同上，只有库存Storage类不同，下同，不做赘述。

Storage类的produce()方法

如果仓库里再放一个产品小于16的话，说明还可以继续生产，调用add方法向仓库放入生产的产品，打印Log记录：“生产者线程名生产一个产品，现库存”由于要对临界区资源数量进行修改，且max_size=16>1，为了保证操作的原子性，在该操作执行之前，首先对信号量mutex执行P操作，最后执行mutex.release()使mutex资源数量加1

Storage类的consume()方法

如果仓库容量大于0的话，执行list.remove()语句，打印日志：“消费者消费一个产品，现库存为”，在该操作执行之前，首先对信号量mutex执行P操作，在该操作执行之前，首先对信号量mutex执行P操作，最后执行mutex.release()使mutex资源数量加1

4.2 包含的核心方法及函数解析

final Semaphore mutex = new Semaphore(1);

Semaphore信号量类通常用于限制可以访问某些（物理或逻辑）资源的线程数。初始化成员变量，mutex为互斥信号量，初值为1。

mutex.acquire();

从此信号量获取许可，阻塞直到一个信号量可用或线程中断，相当于对mutex执行P操作

mutex.release();

释放许可证，将其返回到信号量，相当于对mutex执行V操作

4.3 实验结果与分析

 

5 同步信号量full empty实现线程同步

5.1 实验设计

Storage仓库类声明五个私有成员变量：

仓库最大容量MAX_SIZE = 16

仓库的存储载体list = new LinkedList