進(jìn)程的同步.doc

操作系統(tǒng)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱進(jìn)程的同步學(xué)號(hào)2009142212班級(jí)20100614姓名劉欣卓專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)生所在學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院指導(dǎo)教師初妍實(shí)驗(yàn)室名稱地點(diǎn)21#428 哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、實(shí)驗(yàn)概述1. 實(shí)驗(yàn)名稱第三講 進(jìn)程的同步2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖褂肊OS的信號(hào)量，編程解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，理解進(jìn)程同步的意義。調(diào)試跟蹤EOS信號(hào)量的工作過程，理解進(jìn)程同步的原理。 修改EOS的信號(hào)量算法，使之支持等待超時(shí)喚醒功能（有限等待），加深理解進(jìn)程同步的原理。 3. 實(shí)驗(yàn)類型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性試驗(yàn)4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)OS Lab。新建一個(gè)EOS Kernel項(xiàng)目。 生成EOS Kernel項(xiàng)目，從而在該項(xiàng)目文件夾中生成SDK文件夾。 新建一個(gè)EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目。 使用在第3步生成的SDK文件夾覆蓋EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目文件夾中的SDK文件夾。 （2）生產(chǎn)者消費(fèi)者同步執(zhí)行的過程使用pc.c文件中的源代碼，替換之前創(chuàng)建的EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目中EOSApp.c文件內(nèi)的源代碼。按F7生成修改后的EOS應(yīng)用程序項(xiàng)目。按F5啟動(dòng)調(diào)試。OS Lab會(huì)首先彈出一個(gè)調(diào)試異常對話框。 在調(diào)試異常對話框中選擇“否”，繼續(xù)執(zhí)行。立即激活虛擬機(jī)窗口查看生產(chǎn)者消費(fèi)者同步執(zhí)行的過程。待應(yīng)用程序執(zhí)行完畢后，結(jié)束此次調(diào)試。 （3） 調(diào)試EOS信號(hào)量的工作過程I 創(chuàng)建信號(hào)量按F5啟動(dòng)調(diào)試EOS應(yīng)用項(xiàng)目。OS Lab會(huì)首先彈出一個(gè)調(diào)試異常對話框。 在調(diào)試異常對話框中選擇“是”，調(diào)試會(huì)中斷。在main函數(shù)中創(chuàng)建Empty信號(hào)量的代碼行（第77行）EmptySemaphoreHandle = CreateSemaphore(BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE, NULL); 添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到此斷點(diǎn)處中斷。 按F11調(diào)試進(jìn)入CreateSemaphore函數(shù)。可以看到此API函數(shù)只是調(diào)用了EOS內(nèi)核中的PsCreateSemaphoreObject函數(shù)來創(chuàng)建信號(hào)量對象。按F11調(diào)試進(jìn)入semaphore.c文件中的PsCreateSemaphoreObject函數(shù)。在此函數(shù)中，會(huì)在EOS內(nèi)核管理的內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量對象（分配一塊內(nèi)存），而初始化信號(hào)量對象中各個(gè)成員的操作是在PsInitializeSemaphore函數(shù)中完成的。在semaphore.c文件的頂部查找到PsInitializeSemaphore函數(shù)的定義（第19行），在此函數(shù)的第一行（第39行）代碼處添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。觀察PsInitializeSemaphore函數(shù)中用來初始化信號(hào)量結(jié)構(gòu)體成員的值，應(yīng)該和傳入CreateSemaphore函數(shù)的參數(shù)值是一致的。按F10單步調(diào)試PsInitializeSemaphore函數(shù)執(zhí)行的過程，查看信號(hào)量結(jié)構(gòu)體被初始化的過程。打開“調(diào)用堆?！贝翱?，查看函數(shù)的調(diào)用層次。 II 等待、釋放信號(hào)量1、等待信號(hào)量（不阻塞）刪除所有的斷點(diǎn)。在eosapp.c文件的Producer函數(shù)中，等待Empty信號(hào)量的代碼行（第144行） WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, INFINITE); 添加一個(gè)斷點(diǎn)。 按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。WaitForSingleObject 函數(shù)最終會(huì)調(diào)用內(nèi)核中的PsWaitForSemaphore函數(shù)完成等待操作。所以，在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函數(shù)的第一行（第68行）添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。 按F10單步調(diào)試，直到完成PsWaitForSemaphore函數(shù)中的所有操作。 2、釋放信號(hào)量（不喚醒）刪除所有的斷點(diǎn)。在eosapp.c文件的Producer函數(shù)中，釋放Full信號(hào)量的代碼行（第152行） ReleaseSemaphore(FullSemaphoreHandle, 1, NULL); 添加一個(gè)斷點(diǎn)。 按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。 按F11調(diào)試進(jìn)入ReleaseSemaphore函數(shù)。繼續(xù)按F11調(diào)試進(jìn)入PsReleaseSemaphoreObject函數(shù)。先使用F10單步調(diào)試，當(dāng)黃色箭頭指向第269行時(shí)使用F11單步調(diào)試，進(jìn)入PsReleaseSemaphore函數(shù)。 按F10單步調(diào)試，直到完成PsReleaseSemaphore函數(shù)中的所有操作。3、等待信號(hào)量（阻塞）結(jié)束之前的調(diào)試。刪除所有的斷點(diǎn)。按F5重新啟動(dòng)調(diào)試。OS Lab會(huì)首先彈出一個(gè)調(diào)試異常對話框。在調(diào)試異常對話框中選擇“是”，調(diào)試會(huì)中斷。 在semaphore.c文件中的PsWaitForSemaphore函數(shù)的 PspWait(&Semaphore-WaitListHead, INFINITE); 代碼行（第78行）添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，并立即激活虛擬機(jī)窗口查看輸出。開始時(shí)生產(chǎn)者、消費(fèi)者都不會(huì)被信號(hào)量阻塞，同步執(zhí)行一段時(shí)間后才在斷點(diǎn)處中斷。中斷后，查看“調(diào)用堆?！贝翱?，有Producer函數(shù)對應(yīng)的堆棧幀，說明此次調(diào)用是從生產(chǎn)者線程函數(shù)進(jìn)入的。 在“調(diào)用堆?！贝翱谥须p擊Producer函數(shù)所在的堆棧幀，綠色箭頭指向等待Empty信號(hào)量的代碼行，查看Producer函數(shù)中變量i的值為14，表示生產(chǎn)者線程正在嘗試生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品。 在“調(diào)用堆?！贝翱谥须p擊PsWaitForSemaphore函數(shù)的堆棧幀，查看Empty信號(hào)量計(jì)數(shù)（Semaphore-Count）的值為-1，所以會(huì)調(diào)用PspWait函數(shù)將生產(chǎn)者線程放入Empty信號(hào)量的等待隊(duì)列中進(jìn)行等待（讓出CPU）。激活虛擬機(jī)窗口查看輸出的結(jié)果。生產(chǎn)了從0到13的14個(gè)產(chǎn)品，但是只消費(fèi)了從0到3的4個(gè)產(chǎn)品，所以緩沖池中的10個(gè)緩沖區(qū)就都被占用了，這與之前調(diào)試的結(jié)果是一致的。 4、釋放信號(hào)量（喚醒）刪除所有斷點(diǎn)。在eosapp.c文件的Consumer函數(shù)中，釋放Empty信號(hào)量的代碼行（第180行） ReleaseSemaphore(EmptySemaphoreHandle, 1, NULL); 添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，到斷點(diǎn)處中斷。查看Consumer函數(shù)中變量i的值為4，說明已經(jīng)消費(fèi)了4號(hào)產(chǎn)品。按照釋放信號(hào)量（不喚醒）中的方法使用F10和F11調(diào)試進(jìn)入PsReleaseSemaphore函數(shù)。查看PsReleaseSemaphore函數(shù)中Empty信號(hào)量計(jì)數(shù)（Semaphore-Count）的值為-1，和生產(chǎn)者線程被阻塞時(shí)的值是一致的。按F10單步調(diào)試PsReleaseSemaphore函數(shù)，直到在代碼行（第132行） PspWakeThread(&Semaphore-WaitListHead, STATUS_SUCCESS); 處中斷。此時(shí)Empty信號(hào)量計(jì)數(shù)的值已經(jīng)由-1增加為了0，需要調(diào)用PspWakeThread函數(shù)喚醒阻塞在Empty信號(hào)量等待隊(duì)列中的生產(chǎn)者線程（放入就緒隊(duì)列中），然后調(diào)用PspSchedule函數(shù)執(zhí)行調(diào)度，這樣生產(chǎn)者線程就得以繼續(xù)執(zhí)行。 III 驗(yàn)證生產(chǎn)者線程被喚醒后從被阻塞時(shí)的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行在semaphore.c文件中PsWaitForSemaphore函數(shù)的最后一行（第83行）代碼處添加一個(gè)斷點(diǎn)。按F5繼續(xù)調(diào)試，在斷點(diǎn)處中斷。查看PsWaitForSemaphore函數(shù)中Empty信號(hào)量計(jì)數(shù)（Semaphore-Count）的值為0，和生產(chǎn)者線程被喚醒時(shí)的值是一致的。在“調(diào)用堆?！贝翱谥锌梢钥吹绞怯蒔roducer函數(shù)進(jìn)入的。激活Producer函數(shù)的堆棧幀，查看Producer函數(shù)中變量i的值為14，表明之前被阻塞的、正在嘗試生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)者線程已經(jīng)從PspWait函數(shù)返回并繼續(xù)執(zhí)行了。結(jié)束此次調(diào)試。 （4）修改EOS的信號(hào)量算法修改PsWaitForSemaphore函數(shù)先用計(jì)數(shù)值和0比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于0時(shí)，將計(jì)數(shù)值減1后直接返回成功；當(dāng)計(jì)數(shù)值等于0時(shí)，調(diào)用PspWait函數(shù)阻塞線程的執(zhí)行（將參數(shù)Milliseconds做為PspWait函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)，并使用PspWait函數(shù)的返回值做為返回值）。在函數(shù)開始定義一個(gè)STATUS類型的變量，用來保存不同情況下的返回值，并在函數(shù)最后返回此變量的值。絕不能在原子操作的中途返回！ 修改PsReleaseSemaphore函數(shù)如果被阻塞的線程數(shù)量大于等于ReleaseCount，則循環(huán)結(jié)束后，有ReleaseCount個(gè)線程會(huì)被喚醒，而且信號(hào)量計(jì)數(shù)的值仍然為0； 如果被阻塞的線程數(shù)量（可以為0）小于ReleaseCount，則循環(huán)結(jié)束后，所有被阻塞的線程都會(huì)被喚醒，并且信號(hào)量的計(jì)數(shù)值ReleaseCount之前被阻塞線程的數(shù)量之前信號(hào)量的計(jì)數(shù)值。 （5）測試方法使用修改完畢的EOS Kernel項(xiàng)目生成完全版本的SDK文件夾，并覆蓋之前的生產(chǎn)者消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)目的SDK文件夾。按F5調(diào)試執(zhí)行原有的生產(chǎn)者消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)目，結(jié)果必須仍然與圖13-2一致。如果有錯(cuò)誤，可以調(diào)試內(nèi)核代碼來查找錯(cuò)誤，然后在內(nèi)核項(xiàng)目中修改， 將Producer函數(shù)中等待Empty信號(hào)量的代碼行WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, INFINITE); 替換為while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle,300)printf(Producer wait for empty semaphore timeoutn); 將Consumer函數(shù)中等待Full信號(hào)量的代碼行WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, INFINITE);替換為while(WAIT_TIMEOUT=WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle,300) printf(Consumer wait for full semaphore timeoutn); 啟動(dòng)調(diào)試新的生產(chǎn)者消費(fèi)者項(xiàng)目，查看在虛擬機(jī)中輸出的結(jié)果，驗(yàn)證信號(hào)量超時(shí)等待功能是否能夠正常執(zhí)行。如果有錯(cuò)誤，可以調(diào)試內(nèi)核代碼來查找錯(cuò)誤，然后在內(nèi)核項(xiàng)目中修改。如果超時(shí)等待功能已經(jīng)能夠正常執(zhí)行，可以考慮將消費(fèi)者線程修改為一次消費(fèi)兩個(gè)產(chǎn)品，來測試ReleaseCount參數(shù)是否能夠正常使用。使用實(shí)驗(yàn)文件夾中NewConsumer.c文件中的Consumer函數(shù)替換原有的Consumer函數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境Tevation OS Lab 1.0.3.99003、 實(shí)驗(yàn)過程一、設(shè)計(jì)思路：1 啟動(dòng)OS Lab 3.1 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn) 3.2 使用EOS的信號(hào)量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題 3.3 調(diào)試EOS信號(hào)量的工作過程 3.3.1 創(chuàng)建信號(hào)量 3.3.2 等待、釋放信號(hào)量 3.3.2.1 等待信號(hào)量（不阻塞） 3.3.2.2 釋放信號(hào)量（不喚醒） 3.3.2.3 等待信號(hào)量（阻塞） 3.3.2.4 釋放信號(hào)量（喚醒） 3.4 修改EOS的信號(hào)量算法 3.4.1 要求 3.4.2 提示 3.4.3 測試方法 3.5 退出系統(tǒng)并保存oud文件2、 算法設(shè)計(jì)：本次實(shí)驗(yàn)要求修改信號(hào)量算法1、 修改PsWaitForSemaphore函數(shù)PsWaitForSemaphore函數(shù)中原有的代碼段Semaphore-Count-; if (Semaphore-Count WaitListHead, INFINITE); 應(yīng)被修改為：先用計(jì)數(shù)值和0比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于0時(shí)，將計(jì)數(shù)值減1后直接返回成功；當(dāng)計(jì)數(shù)值等于0時(shí)，調(diào)用PspWait函數(shù)阻塞線程的執(zhí)行（將參數(shù)Milliseconds做為PspWait函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)，并使用PspWait函數(shù)的返回值做為返回值）。 在函數(shù)開始定義一個(gè)STATUS類型的變量，用來保存不同情況下的返回值，并在函數(shù)最返回此變量的值。絕不能在原子操作的中途返回！ 在EOS Kernel項(xiàng)目ps/sched.c文件的第190行查看PspWait函數(shù)的說明和源代碼。 按要求應(yīng)修改為：if (Semaphore-Count 0)Semaphore-Count-;flag=STATUS_SUCCESS;/信號(hào)量大于0，說明可以為線程分配資源else flag=PspWait(&Semaphore-WaitListHead, Milliseconds);/信號(hào)量小于0，需要等待KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢復(fù)中斷。return flag;2、 修改PsReleaseSemaphore函數(shù)編寫一個(gè)使用ReleaseCount做為計(jì)數(shù)器的循環(huán)體，來替換PsReleaseSemaphore函數(shù)中原有的代碼段Semaphore-Count+;if (Semaphore-Count WaitListHead, STATUS_SUCCESS); 在循環(huán)體中完成下面的工作：1. 如果被阻塞的線程數(shù)量大于等于ReleaseCount，則循環(huán)結(jié)束后，有ReleaseCount個(gè)線程會(huì)被喚醒，而且信號(hào)量計(jì)數(shù)的值仍然為0； 2. 如果被阻塞的線程數(shù)量（可以為0）小于ReleaseCount，則循環(huán)結(jié)束后，所有被阻塞的線程都會(huì)被喚醒，并且信號(hào)量的計(jì)數(shù)值ReleaseCount之前被阻塞線程的數(shù)量之前信號(hào)量的計(jì)數(shù)值。 在EOS Kernel項(xiàng)目ps/sched.c文件的第294行查看PspWakeThread函數(shù)的說明和源代碼。在循環(huán)的過程中可以使用宏定義函數(shù)ListIsEmpty判斷信號(hào)量的等待隊(duì)列是否為空，例如 ListIsEmpty(&Semaphore-WaitListHead) 可以在EOS Kernel項(xiàng)目inc/rtl.h文件的第113行查看此宏定義的源代碼。 按要求應(yīng)修改為：while (!ListIsEmpty(&Semaphore-WaitListHead)&(ReleaseCount)PspWakeThread(&Semaphore-WaitListHead, STATUS_SUCCESS);PspThreadSchedule();ReleaseCount-;Semaphore-Count = Semaphore-Count + ReleaseCount;/ 可能有線程被喚醒，執(zhí)行線程調(diào)度。Status = STATUS_SUCCESS;KeEnableInterrupts(IntState); / 原子操作完成，恢復(fù)中斷。return Status;3、 測試方法修改完畢后，可以按照下面的方法進(jìn)行測試： 1. 使用修改完畢的EOS Kernel項(xiàng)目生成完全版本的SDK文件夾，并覆蓋之前的生產(chǎn)者消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)目的SDK文件夾。 2. 按F5調(diào)試執(zhí)行原有的生產(chǎn)者消費(fèi)者應(yīng)用程序項(xiàng)目，結(jié)果必須仍然與圖13-2一致。如果有錯(cuò)誤，可以調(diào)試內(nèi)核代碼來查找錯(cuò)誤，然后在內(nèi)核項(xiàng)目中修改，并重復(fù)步驟1。 3. 將Producer函數(shù)中等待Empty信號(hào)量的代碼行 WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, INFINITE);替換為 while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(EmptySemaphoreHandle, 300) printf(Producer wait for empty semaphore timeoutn); 將Consumer函數(shù)中等待Full信號(hào)量的代碼行 WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, INFINITE);替換為while(WAIT_TIMEOUT = WaitForSingleObject(FullSemaphoreHandle, 300) printf(Consumer wait for full semaphore timeoutn); 啟動(dòng)調(diào)試新的生產(chǎn)者消費(fèi)者項(xiàng)目，查看在虛擬機(jī)中輸出的結(jié)果，驗(yàn)證信號(hào)量超時(shí)等待功能是否能夠正常執(zhí)行。如果有錯(cuò)誤，可以調(diào)試內(nèi)核代碼來查找錯(cuò)誤，然后在內(nèi)核項(xiàng)目中修改，并重復(fù)步驟1。 如果超時(shí)等待功能已經(jīng)能夠正常執(zhí)行，可以考慮將消費(fèi)者線程修改為一次消費(fèi)兩個(gè)產(chǎn)品，來測試ReleaseCount參數(shù)是否能夠正常使用。使用實(shí)驗(yàn)文件夾中NewConsumer.c文件中的Consumer函數(shù)替換原有的Consumer函數(shù)。 3、 實(shí)驗(yàn)要求：1、 P143，生產(chǎn)者在生產(chǎn)了13號(hào)產(chǎn)品后本來要繼續(xù)生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品，可此時(shí)生產(chǎn)者為什么必須等待消費(fèi)者消費(fèi)了4號(hào)產(chǎn)品后，才能生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品呢？生產(chǎn)者和消費(fèi)者是怎樣使用同步對象來實(shí)現(xiàn)該同步過程的呢？因?yàn)榫彌_池已滿,此時(shí)生成了14個(gè)產(chǎn)品（013），只消費(fèi)了4個(gè)（03），緩沖池大小為10，因此生產(chǎn)者必須等消費(fèi)者消費(fèi)了4號(hào)產(chǎn)品后，再生產(chǎn)14號(hào)產(chǎn)品。簡單地說，在同一地址空間執(zhí)行2個(gè)線程：生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)產(chǎn)品，放入緩沖池等待消費(fèi)者消費(fèi)，消費(fèi)者線程從緩沖池中獲得產(chǎn)品，釋放緩沖池。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時(shí)，如果緩沖池已滿，那么生產(chǎn)者線程必須等待消費(fèi)者線程釋放出一個(gè)空緩沖區(qū)。當(dāng)消費(fèi)者線程消費(fèi)物品時(shí)，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費(fèi)者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。2、 P145-3.4 修改EOS的信號(hào)量算法(只看一次消費(fèi)1個(gè)產(chǎn)品的，一次消費(fèi)2個(gè)產(chǎn)品的可以寫到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中)修改方法請參考本實(shí)驗(yàn)報(bào)告算法部分。下面給出運(yùn)行截圖：修改前：修改后：3、 P147-四、 思考與練習(xí)-2. 繪制ps/semaphore.c文件內(nèi)PsWaitForSemaphore和PsReleaseSema