进程同步机制与互斥-生产者消费者问题
实验、进程的同步与互斥——生产者消费者
实验、进程的同步与互斥——⽣产者消费者1. 1. 实验⽬的两个或两个以上的进程,不能同时进⼊关于同⼀组共享变量的临界区域,否则可能发⽣与时间有关的错误,这种现象被称作进程互斥。
对CPU的速度和数⽬不做出任何假设的前提下，并发进程互斥访问临界资源，是⼀个较好的解决⽅案。
另外，还需要解决异步环境下的进程同步问题。
所谓异步环境是指：相互合作的⼀组并发进程，其中每⼀个进程都以各⾃独⽴的、不可预知的速度向前推进；但它们⼜需要密切合作，以实现⼀个共同的任务，即彼此“知道”相互的存在和作⽤。
实验⽬的：分析进程争⽤资源的现象，学习解决进程同步与互斥的⽅法。
本实验属于设计型实验，实验者可根据⾃⾝情况选⽤合适的开发环境和程序架构。
1. 2. 实验原理信号量的PV操作与处理相关，P表⽰通过的意思，V表⽰释放的意思。
1962年，狄克斯特拉离开数学中⼼进⼊位于荷兰南部的艾恩德霍芬技术⼤学(Eindhoven Technical University)任数学教授。
在这⾥，他参加了X8计算机的开发，设计与实现了具有多道程序运⾏能⼒的操作系统——THE Multiprogramming System。
THE是艾恩德霍芬技术⼤学的荷兰⽂Tchnische Hoogeschool Eindhov –en的词头缩写。
狄克斯特拉在THE这个系统中所提出的⼀系统⽅法和技术奠定了计算机现代操作系统的基础，尤其是关于多层体系结构，顺序进程之间的同步和互斥机制这样⼀些重要的思想和概念都是狄克斯特拉在THE中⾸先提出并为以后的操作系统如UNIX等所采⽤的。
为了在单处理机的情况下确定进程(process)能否占有处理机，狄克斯特拉将每个进程分为“就绪”(ready)、“运⾏”(running)和“阻塞”(blocking)三个⼯作状态。
由于在任⼀时刻最多只有⼀个进程可以使⽤处理机，正占⽤着处理机的进程称为“运⾏”进程。
当某进程已具备了使⽤处理机的条件，⽽当前⼜没有处理机供其使⽤，则使该进程处于“就绪”状态。
进程管理----生产者和消费者问题(实验报告)
计算机与信息工程系实验报告班级计算机1001班姓名李双贺时间2011年10月19日地点文理楼A504实验名称进程管理----生产者和消费者问题实验目的:（1）加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。
（2）进一步认识并发执行的实质。
（3）验证用信号量机制实现进程互斥的方法。
（4）验证用信号机制实现进程同步的方法。
实验内容问题描述：考虑有一些生产者和消费者进程，生产者进程生产信息并把它们放入缓冲池中，消费者从缓冲池中取走信息。
生产者—消费者问题是相互合作的进程关系的一种抽象，如在输入时，输入进程是生产者，计算进程是消费者；而在输出时，则计算进程是生产者，打印进程是消费者。
请使用信号量机制来解决生产者—消费者问题。
互斥关系：（I）设缓冲池有n个单元。
（II）当n个单元装满时，生产者必须等待。
（III）当缓冲池空时，消费者必须等待。
参考算法：//创建生产者线程for (int i=0;i<PRODUCERS_COUNT;++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);if (hThreads[i]==NULL) return -1;}//创建消费者线程for ( i=0;i<CONSUMERS_COUNT;++i){hThreads[PRODUCERS_COUNT+i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]); if (hThreads[i]==NULL) return -1;}while(g_continue){if(getchar()){ //按回车后终止程序运行g_continue = false;}}缓冲区return 0;}//生产者DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara){while(g_continue){WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Produce();Append();Sleep(1500);ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);}return 0;}//消费者DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara){while(g_continue){WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Take();Consume();Sleep(1500);ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);}return 0;}实验结果。
详解进程同步与互斥机制
详解进程同步与互斥机制⽬录⼀、什么是进程同步⼆、什么是进程互斥三、常见的进程同步与互斥机制⼀、什么是进程同步在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执⾏的，但由于系统的资源有限，进程的执⾏不是⼀贯到底的，⽽是⾛⾛停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
那么，进程的异步性会带来什么问题呢？举个例⼦，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。
那么写数据应该发⽣在读数据之前。
⽽实际上，由于异步性的存在，可能会发⽣先读后写的情况，⽽此时由于缓冲区还没有被写⼊数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。
进程同步（synchronization）就是⽤来解决这个问题的。
从上⾯的例⼦我们能看出，⼀个进程的执⾏可能影响到另⼀个进程的执⾏，所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执⾏次序、传递信号或消息。
再举个⽣活中的进程同步的例⼦，你想要喝热⽔，于是你打了⼀壶⽔开始烧，在这壶⽔烧开之前，你只能⼀直等着，⽔烧开之后⽔壶⾃然会发⽣响声提醒你来喝⽔，于是你就可以喝⽔了。
就是说⽔烧开这个事情必须发⽣在你喝⽔之前。
注意不要把进程同步和进程调度搞混了：进程调度是为了最⼤程度的利⽤ CPU 资源，选⽤合适的算法调度就绪队列中的进程。
进程同步是为了协调⼀些进程以完成某个任务，⽐如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执⾏次序使得某个任务能够顺利完成。
⼆、什么是进程互斥同样的，也是因为进程的并发性，并发执⾏的线程不可避免地需要共享⼀些系统资源，⽐如内存、打印机、摄像头等。
举个例⼦：我们去学校打印店打印论⽂，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始⼯作。
你的论⽂打印到⼀半时，另⼀位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他⾃⼰的论⽂。
想象⼀下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发⽣什么情况？显然，两个进程并发运⾏，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论⽂的内容混杂在⼀起了。
进程同步问题分析——生产者和消费者问题
一、讨论课名称：计算机操作系统中进程同步与互斥问题分析二、讨论课目的：1．熟悉临界资源、信号量及PV操作的定义与物理意义；2．掌握进程互斥与进程同步的相关知识；3．掌握用信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题；4．实现生产者－消费者问题，深刻理解进程同步问题。
三、讨论课内容：1．进程同步的基本概念在多道程序环境下，系统中可能存在许多的进程，在这些进程之间必定存在一些制约关系，这种制约关系表现为以下两种形式：①资源共享关系。
进程之间不知道其他进程的存在，而这些进程又处在同一个系统中，对系统资源必须共享使用，而有些资源不允许进程同时访问，例如打印机。
系统只能保证进程间互斥地使用这种临界资源，称这种资源共享关系叫做互斥；②相互合作关系。
在某些进程间还存在一种相互合作的关系。
例如在某个系统中存在两个进程，输入进程A和计算进程B，A负责向B提供数据，当缓冲区空时，B进程因不能获得所需数据而等待。
当A把数据送入缓冲区后，并向B发送一个信号将B唤醒，B才能取走数据。
同样，当B没有提取数据，也就是说缓冲区满时，进程A也无法向其中投入数据而等待。
这就是一种相互合作关系，称之为进程间的同步关系。
2．信号量机制实现进程同步本文分析的生产者-消费者问题就是一种相互合作问题的代表，对进程同步问题的解决，早在1965年，荷兰科学家Dijkstra就提出信号量机制是一种卓有成效的进程同步工具。
在信号量机制中，信号量仅能通过两个标准的原子操作wait（s）和singnal（s）来访问。
这两个操作被称为P,V操作。
在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表L，用于链接上述的所有等待进程。
记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。
它所包含的上述两个数据项可描述为：type semaphore=recordvalue:integer;L:list of process;End相应地，wait（s）和singal（s）操作可描述为：Procedure wait（s）var s:semaphore;BeginS.value:=S.value-1;If S.value<0 then block（S,L）EndProcedure signal(s)var S:semaphore;BeginS.value:=S.value+1;If S.value<=0 then wakeup（S,L）;End每次的wait操作，意味着进程请求一个单位的资源，因此描述为S.value:=S.value-1;当S.value<0时，表示资源已分配完毕，因而进程调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。
进程同步中的生产者--消费者模型分析
一
个仓库用 于临时性存放 物品。生产者不断地进行 生产 ，每生产 出一件产品 ，就将该产品放 入仓库 ，仓库
放满后则暂停生产 。消费者不 断地从仓库 中取出一件物 品 ，然后进行消费 ，仓库取空后则 暂停消 费。
１２ 模 型 分 析 ．
可以将仓库抽象 为计算机 内存 中的缓 冲区 ，生产者和消费者抽象为不同的并发进程 。在现代操作系统 中，
２ 单缓冲 区的单生产者一 单消费者问题模型
－
限制条件 ：整个 系统仅有唯一的一个缓 冲区 ，活动进程仅有 一个生产者 Ｐｏ ｕ ｅ 和一个消费者 Ｃ ｎｕ ｒ ｒｄ ｃｒ ｏ ｓｍｅ。
２ １ 进 程 关 系 分析 ．
同步关 系 ： １ 只有在 Ｐｏ ｕｅ 向缓冲区放人物品后 ， ｏ ｓ ｍ ｒ （ ） ｒｄ ｃｒ Ｃ ｎｕ ｅ 才能够从缓冲 区中取出物品消费 ； 因此存 在 Ｃ ｎｕ ｒ 于 Ｐｏ ｕ ｅ 的同步依赖 。（ ）只有在 Ｃ ｎｕ ｒ ｏ ｓｍｅ 对 ｒｄ ｃｒ ２ ｏ ｓｍｅ 从缓 冲区取 出物品后 ，Ｐｏ ｕ ｅ 才能够继续向 ｒｄ ｃｒ 缓冲区中放入新生产 的物品 ；因此存在 Ｐ ｏ ｕ ｅ 对于 Ｃ ｎｕ ｒ ｒｄ ｃ ｒ ｏ ｓｍｅ 的同步依赖 。 互斥关 系：（ ） ｒｄ ｃ ｒ １ Ｐ ｏ ｕ ｅ 放人物 品的同时 ，Ｃ ｎｕ ｒ ｏ ｓｍｅ 是不 能从缓 冲区中取 出物 品的；反之亦然 。因此存 在
维普资讯
第２卷 第４ ０ 期 ２０ ０ ７年 ４月
武 汉 科 技 学 院 学 报
Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＵＨＡＮ Ｗ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ ＣＩ Ｉ ＯＦ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖ １ ０Ｎｏ４ ｂ ． ． ２
进程的同步与互斥之生产者消费者问题：对信号量设置的理解及PV操作顺序分析
进程的同步与互斥之⽣产者消费者问题：对信号量设置的理解及PV操作顺序分析问题描述系统中有⼀组⽣产者进程和⼀组消费者进程，⽣产者进程每次⽣产⼀个产品放⼊缓冲区，消费者进程每次从缓冲区取出⼀个产品并使⽤；缓冲区在同⼀时刻只能允许⼀个进程访问。
问题分析⽣产者、消费者共享⼀个初始为空、⼤⼩为n的缓冲区，我们把缓冲区中未存放数据的⼀个块，当作⼀个“空位”；把其中按块存放的数据当作“产品”。
同步关系：⽣产者与消费者只有缓冲区有空位时，⽣产者才能把产品放⼊缓冲区⽣产者把“空位”当作资源，缓冲区初始为空，即空位数量为n（n：空的缓冲区⼤⼩）所以可以设置信号量empty，初始nempty>0时，有空位，⽣产者可以消耗“空位”这种资源即P(empty)；empty<=0时，⽣产者⽆“空位”资源可⽤，便会挂起到阻塞队列等待。
只有缓冲区有产品时，消费者才能从缓冲区中取出产品消费者把“产品”当作资源，缓冲区初始为空，即产品数量为0所以可以设置信号量full，初始为0full<=0，消费者⽆“产品”这种资源可⽤，便会挂起到阻塞队列full>0，有产品，消费者可以消耗“产品”这种资源即P(full)进⼀步：empty>0时，有空位，⽣产者可以消耗“空位”这种资源即P(empty)的同时：⽣产了“产品这种资源”，即V(full)；full>0时，有产品，消费者可以消耗“产品”这种资源即P(full)的同时：⽣产了“空位”这种资源，即V(empty);互斥关系：所有进程之间缓冲区是临界资源，各个进程必须互斥地访问设置信号零mutex，初始为1在进⼊区P(mutex)申请资源在退出区V(mutex)释放资源设计typedef struct{int value;Struct process *L; //等待序列}semaphore;semaphore full;semaphore empty;semaphore mutex;//某进程需要使⽤资源时，通过wait原语申请:P操作void wait(semaphore S){S.value--;if(S.value < 0){block(S.L);//阻塞原语，将当前进程挂载到当前semaphore的阻塞队列}}//进程使⽤完资源后，通过signal原语释放:V操作void signal(semaphore S){S.value++;if(S.value <= 0){wakeup(S.L);//唤醒原语，将当前semaphore的阻塞队列中的第⼀个进程唤醒}}full.value=0; //缓冲区 “产品”资源数（初始为0），⽤于实现⽣产者与消费者进程的同步empty.value=n; //缓冲区 “空位”资源数（初始为n），⽤于实现⽣产者与消费者进程的同步mutex.value=1; //互斥信号量，⽤于实现所有进程之间互斥地访问缓冲区//⽣产者producer(){while(1){Produce(); //⽣产“产品”P(empty); //“空位”数-1P(mutex); //临界区上锁Storage(); //摆放产品V(mutex); //临界区解锁V(full); //“产品”数+1}}//消费者consumer(){while(1){P(full); //“产品”数-1P(mutex); //临界区上锁TakeOut(); //拿⾛产品V(mutex); //临界区解锁V(empty); //“空位”数+1Use(); //使⽤“产品”}}对于各个操作顺序的理解：1. 对于⼀部分操作的顺序，我们很好理解，符合我们的认知：//⽣产者Produce(); //⽣产产品P(empty); //“空位”数-1，可能有⼈在这⾥会问这个操作为什么不可以放在“Storage甚⾄是V(full)”后⾯，考虑⼀种情况：当空位数为0时，我们是不能摆放产品的，⽽这个操作正是在检查是否还有“空位”这种资源；所以它⼀定在Storage前⾯ Storage(); //摆放产品V(full); //“产品”数+1，可能有⼈在这⾥会问这个操作为什么不可以放在“Storage甚⾄是P(empty)”前⾯，考虑⼀种情况：当产品数为n时，我们是不能再摆放产品的，因为缓冲区已满，再向其中添加数据（执⾏Storage）是要出问题的；所 //消费者P(full); //“产品”数-1，同上⾯⼀样，可能有⼈在这⾥会问这个操作为什么不可以放在“TakeOut甚⾄是V(empty)”后⾯，考虑⼀种情况：当产品数为0时，我们是不能拿⾛产品的，⽽这个操作正是在检查是否还有“产品”这种资源；所以它⼀定 TakeOut(); //拿⾛产品V(empty); //“空位”数+1，同上⾯⼀样，可能有⼈在这⾥会问这个操作为什么不可以放在“TakeOut甚⾄是P(full)”前⾯，考虑⼀种情况：当空位数为n时，我们是不能拿⾛产品的，因为缓冲区已经空了，再拿⾛（执⾏TakeOut）拿⾛个寂寞 Use(); //使⽤“产品”2. 对于其他操作：实现同步的P操作⼀定要在实现互斥的P操作之前，为什么呢？反向分析：我们考虑若调换⽣产者上述两个P操作的顺序：//⽣产者producer(){while(1){Produce(); //⽣产产品P(mutex); //临界区上锁P(empty); //“空位”数-1Storage(); //摆放产品V(mutex); //临界区解锁V(full); //“产品”数+1}}//消费者consumer(){while(1){P(full); //“产品”数-1P(mutex); //临界区上锁TakeOut(); //拿⾛产品V(mutex); //临界区解锁V(empty); //“空位”数+1Use(); //使⽤“产品”}}若此时缓冲区已经放满产品，则empty=0，full=n⽣产者进程执⾏P(mutex)，mutex变为0，由于empty为0即没有“空位”了，需要⽣产者进程阻塞，等待消费者拿⾛产品切换⾄消费者进程，消费者进程执⾏到P(mutex)，由于mutex为0即⽣产者未释放临界资源，需要⽣产者释放临界资源，消费者进程阻塞互相等待，进⼊死锁结论：不要让因同步引起的进程阻塞（P操作可能产⽣结果）发⽣在为临界区上锁之后，因为：1. 临界区上锁，表⽰临界资源已被占⽤；若对临界区未解锁之前，发⽣了因同步引起的进程阻塞（上例中即需要⽣产者进程阻塞，等待消费者拿⾛产品）。
操作系统课程设计-进程同步模拟设计
课程设计题目进程同步模拟设计——生产者和消费者问题学院计算机科学与技术学院专业计算机科学与技术班级0806姓名张方纪指导教师孙玉芬2010 年 1 月20 日课程设计任务书学生姓名：张方纪专业班级：计算机0806指导教师：孙玉芬工作单位：计算机科学与技术学院题目: 进程同步模拟设计——生产者和消费者问题初始条件：1．预备内容：阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制度有深入的理解。
2．实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用。
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．模拟用信号量机制实现生产者和消费者问题。
2．设计报告内容应说明：⑴需求分析；⑵功能设计（数据结构及模块说明）；⑶开发平台及源程序的主要部分；⑷测试用例，运行结果与运行情况分析；⑸自我评价与总结：i）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色；ii）什么地方做得不太好，以后如何改正；iii）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）；iv）完成本题是否有其他方法（如果有，简要说明该方法）；时间安排：设计安排一周：周1、周2：完成程序分析及设计。
周2、周3：完成程序调试及测试。
周4、周5：验收、撰写课程设计报告。
（注意事项：严禁抄袭，一旦发现，一律按0分记）指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日进程同步模拟设计——生产者和消费者问题1课设任务本课程设计的任务在于，通过编写一个具体的有关操作系统进程同步互斥的经典问题，加强对操作系统实现进程间同步与互斥的机制的理解。
同时培养提出问题、发现知识、使用工具、解决问题的能力。
具体地，我们要编制出一个程序，利用PV原语以及进程创建、同步、互斥、销毁等相关的系统调用来模拟“生产者—消费者”问题。
2背景介绍2.1“生产者—消费者”问题(the producer-consumerproblem)问题描述：一组生产者向一组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲区n，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。
生产者与消费者之间的同步与互斥问题
•进程间的关系 •生产者生产消息 后 消费者消费的合作 关系 •消费者消费 后 的空白缓冲块由生产者 生产消息的合作关系 •进程间在队列操作上的互斥关系
Var mutex, empty, full:semaphore∶=1,n,0; buffer:array［0, …, n-1］ of item; in, out: integer∶=0, 0; proceducer:begin repeat producer an item nextp; wait(empty); wait(mutex); buffer(in)∶=nextp; in∶=(in+1) mod n; signal(mutex); signal(full); until false; end • consumer:begin • repeat • wait(full); • wait(mutex); • nextc∶ =buffer(out); • out∶ =(out+1) mod n; • signal(mutex); • signal(empty); • consumer the item in nextc; • until false; • end
互斥问题：
1.生产者与生产者之间、消费者与消费者之间 互斥访问缓冲池。 2.生产者和消费者之间互斥访问缓冲池。
生产者/消费者问题
• 一个生产者，一个消费者，一个缓冲区 • 确定同步对象 • 确定同步约束条件 • 确定同步时机 • 定义信号量：考虑为每个同步对象设一个 信号量 • 用wait()操作判断同步条件是否满足 • 用signal()操作向其它同步对象发同步信号
Thank you !!
姚俊 朱景焕 宋聪 郭涛 欧阳睿 朱思勇 杨凝 熊伟 唐沐 万骞 闫弈潼
操作系统实验报告三大问题之生产者与消费者问题
计算机操作系统实验报告题目三大经典问题之生产者与消费者问题一、课程设计的性质与任务1、加深对并发协作进程同步与互斥概念的理解。
通过编写程序实现进程同步和互斥，使学生掌握有关进程（线程）同步与互斥的原理，以及解决进程（线程）同步和互斥的算法，从而进一步巩固进程（线程）同步和互斥等有关的内容。
2、掌握进程和线程的概念，进程（线程）的控制原语或系统调用的使用。
3、了解Windows2000/XP中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。
学习使用Windows2000/XP中基本的同步对象，掌握相应的API函数。
4、培养学生能够独立进行知识综合，独立开发较大程序的能力。
5、培养提高学生软件开发能力和软件的调试技术。
6、培养学生开发大型程序的方法和相互合作的精神。
7、培养学生的创新意识。
8、培养学生的算法设计和算法分析能力。
9、培养学生对问题进行文字论述和文字表达的能力。
二、课程设计的内容及其要求在Windows?XP、Windows?2000等操作系统下，使用的VC、VB、Java或C等编程语言，采用进程（线程）同步和互斥的技术编写程序实现生产者消费者问题或哲学家进餐问题或读者-写者问题或自己设计一个简单进程（线程）同步和互斥的实际问题。
要求：（1）经调试后程序能够正常运行。
（2）采用多进程或多线程方式运行，体现了进程（线程）同步互斥的关系。
（3）程序界面美观。
三、实验原理本实验要求利用PV操作实现解决生产者——消费者问题中的同步问题。
此问题描述的是一群生产者进程在生产产品并将这些产品提供给消费者进程去消费，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池，生产者进程将它所生产的产品放入一个缓冲区，消费者进程可从缓冲区中取走产品去消费，但它们之间必须保持同步，即不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品，也不允许生产者进程向一个已装满且尚未取出的缓冲区中投放产品，并且生产者消费者互斥使用缓冲区。
四、实验原理图五、算法实现（1）有一个生产者线程ProduceThread，有1个消费者进程CustomerThread；缓冲区为shareList。
操作系统之进程(生产者---消费者)实验报告
操作系统实验报告——生产者和消费者问题姓名：学号：班级：一、实验内容1、模拟操作系统中进程同步和互斥；2、实现生产者和消费者问题的算法实现；二、实验目的1、熟悉临界资源、信号量及PV操作的定义与物理意义；2、了解进程通信的方法；3、掌握进程互斥与进程同步的相关知识；4、掌握用信号量机制解决进程之间的同步与互斥问题；5、实现生产者－消费者问题，深刻理解进程同步问题；三、实验题目在Windows操作系统下用C语言实现经典同步问题：生产者—消费者，具体要求如下：(1)一个大小为10的缓冲区，初始状态为空。
(2)2个生产者，随机等待一段时间，往缓冲区中添加数据，若缓冲区已满，等待消费者取走数据之后再添加，重复10次。
页脚内容1(3)2个消费者，随机等待一段时间，从缓冲区中读取数据，若缓冲区为空，等待生产者添加数据之后再读取，重复10次。
四、思想本实验的主要目的是模拟操作系统中进程同步和互斥。
在系统进程并发执行异步推进的过程中，由于资源共享和进程间合作而造成进程间相互制约。
进程间的相互制约有两种不同的方式。
（1）间接制约。
这是由于多个进程共享同一资源（如CPU、共享输入/输出设备）而引起的，即共享资源的多个进程因系统协调使用资源而相互制约。
（2）直接制约。
只是由于进程合作中各个进程为完成同一任务而造成的，即并发进程各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各个进程的执行速度。
生产者和消费者是经典的进程同步问题，在这个问题中，生产者不断的向缓冲区中写入数据，而消费者则从缓冲区中读取数据。
生产者进程和消费者对缓冲区的操作是互斥，即当前只能有一个进程对这个缓冲区进行操作，生产者进入操作缓冲区之前，先要看缓冲区是否已满，如果缓冲区已满，则它必须等待消费者进程将数据取出才能写入数据，同样的，消费者进程从缓冲区读取数据之前，也要判断缓冲区是否为空，如果为空，则必须等待生产者进程写入数据才能读取数据。
在本实验中，进程之间要进行通信来操作同一缓冲区。
进程同步机制与互斥-生产者消费者问题
学习中心：专业：年级：年春/秋季学号：学生：题目：进程同步与互斥生产者-消费者问题1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。
在这个学期中，通过老师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。
在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程和实用性。
通过这一学期的学习，我才知道操作系统(Operating System，简称OS)是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。
操作系统这门课程并不是教你如何使用操作系统的，而是讲操作。
总而言之，操作系统的一些原理在生活中都可以找到相应的例子。
结合生活中的例子，可以化抽象为具体，我们会更加清楚地了解到其原理与操作过程。
我觉得通过我们的不断学习，结合生活中的实际问题，我们就会把操作系统学得更好。
总体来说，通过这次的对操作系统的总结，有收获也有遗憾、不足的地方，但我想，我已经迈入了操作系统的大门，只要我再认真努力的去学习，去提高，肯定能让自己的知识能力更上一层楼.1设计思路及主要代码分析1.1设计思路在这次设计中定义的多个缓冲区不是环形循环的，并且不需要按序访问。
其中生产者可以把产品放到某一个空缓冲区中，消费者只能消费被指定生产者生产的产品。
本设计在测试用例文件中指定了所有生产和消费的需求，并规定当共享缓冲区的数据满足了所有有关它的消费需求后，此共享才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。
本设计在为生产者分配缓冲区时各生产者之间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。
而消费者之间只有在对同一个产品进行消费时才需要互斥，它们在消费过程结束时需要判断该消费者对象是否已经消费完毕并释放缓冲区的空间。
多进程同步方法解决生产者-消费者问题
课程设计报告课程名称：操作系统实验题目：用多进程同步方法解决生产者-消费者问题院系：计算机科学与工程学院班级：姓名：学号：指导老师：一、概述：1、问题描述：用多进程同步方法解决生产者-消费者问题设计目的:通过研究Linux 的进程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制.说明:有界缓冲区内设有20个存储单元,放入/取出的数据项设定为1-20这20个整型数.设计要求:1) 每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后,即时显示有界缓冲区的全部内容,当前指针位置和生产者/消费者线程的标识符.2) 生产者和消费者各有两个以上.3) 多个生产者或多个消费者之间须有共享对缓冲区进行操作的函数代码.2、程序设计基本思想:生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。
计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。
当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。
而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。
一个有限空间的共享缓冲区，负责存放货物。
生产者向缓冲区中放物品，缓冲区满则不能放。
消费者从缓冲区中拿物品，缓冲区空则不能拿。
因为有多个缓冲区，所以生产者线程没有必要在生成新的数据之前等待最后一个数据被消费者线程处理完毕。
同样，消费者线程并不一定每次只能处理一个数据。
在多缓冲区机制下，线程之间不必互相等待形成死锁，因而提高了效率。
多个缓冲区就好像使用一条传送带替代托架，传送带上一次可以放多个产品。
生产者在缓冲区尾加入数据，而消费者则在缓冲区头读取数据。
当缓冲区满的时候，缓冲区就上锁并等待消费者线程读取数据；每一个生产或消费动作使得传送带向前移动一个单位，因而，消费者线程读取数据的顺序和数据产生顺序是相同的。
可以引入一个count计数器来表示已经被使用的缓冲区数量。
用Producer和Consumer 来同步生产者和消费者线程。
每当生产者线程发现缓冲区满（ count=BufferSize ），它就等待Consumer事件。
进程管理四经典进程同步问题PPT培训课件
实现细节
03
哲学家就餐问题
问题在于，如果哲学家们不能正确地同步他们的行为，可能会产生死锁，即所有哲学家都在等待别人放下筷子，导致系统无法继续进行。
哲学家就餐问题是进程同步问题中的一个经典案例，描述了五个哲学家围坐在圆桌旁，思考和进餐的行为。
哲学家的思考和进餐行为需要相邻的哲学家配合，如果一个哲学家左边和右边的哲学家都在进餐，则该哲学家可以拿起筷子开始进餐。
初始化信号量
01
设置初始值为缓冲区的空闲数量和总容量。
生产者进程
02
生成数据后，通过P操作减少空闲位置的信号量；将数据放入缓冲区；通过V操作增加空闲位置的信号量，通知消费者进程可以取数据。
消费者进程
03
通过P操作减少有数据的信号量；从缓冲区中取出数据进行处理；通过V操作增加有数据的信号量，通知生产者进程可以生产数据。
问题描述
解决方案
使用信号量机制：通过设置两个信号量，一个用于控制缓冲区的空闲数量，另一个用于控制缓冲区的总容量。
生产者进程在生产数据后，需要等待缓冲区有空闲位置才能放入数据；消费者进程在取出数据前，需要等待缓冲区中有数据才能进行。
通过信号量的操作来控制进程的同步和互斥，确保数据的安全传输。
五位哲学家围坐在圆桌旁，思考和进食。每两位哲学家之间有一把叉子。如何避免死锁，使得每位哲学家都能够正常地思考和进食？
当一个进程请求资源时，系统需要决定是否分配资源。银行家算法通过检查是否安全来决定是否分配资源，以避免死锁。如何实现银行家算法？
读者-写者问题
哲学家就餐问题
银行家算法
进程同步的经典问题
在实现过程中还需要考虑异常处理和日志记录等方面，以确保程序的健壮性和可维护性。
实现细节
进程同步与互斥问题
p1() {
while(1) {
洗桔子； P(m1) ； 放桔子； V(m3) ； } }
p2() {
while(1) {
洗苹果 ； P(m1)； 放苹果； V(m2)； } }
p3() {
while(1) {
P(m2) ； 取苹果； V(m1)； 吃苹果；
} }
p4() {
while(1) {
P(m3) ； 取桔子； V(m1)； 吃桔子；
p3() {
while(1) {
P(m2) ； 取水果； V(m1)； 吃水果；
} }
进程的同步
分析：父母亲先放水果，儿子再取水果吃；父亲与儿子，母 亲与儿子是一个同步关系，父亲与母亲要竞争空盘子。
解法二：设信号量m1表示父亲或母亲放完水果，信号量m2 表示儿子取完水果。
int m1=0,m2=1； cobegin
放水果； }
吃桔子； }
吃苹果； }
进程的同步
分析：父亲先放水果，儿子女儿再吃水果；儿子女儿取完水 果，父亲再放水果，这三个进程是一个同步关系。
解法一：设信号量m1表示父亲能否放水果，m2表示儿子能 否取桔子，m3表示女儿能否取苹果。
int m1=1,m2=0,m3=0；
cobegin
p1() // p2() // p3()
} }
例3-4：吃水果。 父亲 母亲
进程的同步
女儿 桔 苹0子 果
儿子
父亲 P1 while(true) {
洗桔子；
母亲 P2 while (true) {
洗苹果；
放桔子； }
放苹果； }
儿子 P3 while(true) {
取苹果；
4.8 经典互斥与同步问题 生产者-消费者问题
4.8 经典互斥与同步问题：生产者-消费者问题（the producer/consumer problem）
问题描述：若干进程通过有限的共享缓冲区交换数据。
其中，"生产者"进程不断写入，而"消费者"进程不断读出；共享缓冲区共有N个；任何时刻只能有一个进程可对共享缓冲区进行操作。
任何时刻只能有一个进程可对共享缓冲区进行操作，可知使用共享缓冲区的生产者与生产者之间、生产者与消费者之间以及消费者与消费者之间存在互斥关系。
缓冲区不满，生产者才能写入；缓冲区不空，消费者才能读出，可知生产者与消费者之间存在同步关系。
设置如下信号量：
full是“满”缓冲区数目，初值为0；
empty是“空”缓冲区数目，初值为N；
mutex用于访问缓冲区时的互斥，初值是1 。
实际上，full和empty是同一个含义：full + empty == N。
用信号量和P、V原语解决生产者-消费者问题如下：
需要注意的是操作的顺序很重要，不当会产生死锁。
如假定Producer和Consumer如下：
当full=0, mutex = 1时，如果执行顺序为：
Consumer.P(mutex) ; Consumer.P(full); // C阻塞，等待Producer 发出的full信号
Producer.P(empty) ; Producer.P(mutex) ; // P 阻塞，等待Consumer发出的mutex信号此时将出现死锁。
多进程同步方法解决生产者-消费者问题
可以引入一个count计数器来表示已经被使用的缓冲区数量。用Producer和Consumer来同步生产者和消费者线程。每当生产者线程发现缓冲区满（count=BufferSize），它就等待Consumer事件。同样，当消费者线程发现缓冲区空，它就开始等待Producer。生产者线程写入一个新的数据之后，就立刻发出Consumer来唤醒正在等待的消费者线程；消费者线程在读取一个数据之后，就发出Producer来唤醒正在等待的生产者线程。
通过一个有界缓冲区(用数组来实现，类似循环队列)把生产者和消费者联系起来。假定生产者和消费者的优先级是相同的，只要缓冲区未满，生产者就可以生产产品并将产品送入缓冲区。类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中去走产品并消费它。应该禁止生产者向满的缓冲区送入产品，同时也应该禁止消费者从空的缓冲区中取出产品，这一机制有生产者线程和消费者线程之间的互斥关系来实现。
二
m个生产者、k个消费者、共享n个单元缓冲区
基本算法如下：
三
4.1、生产者流程结构：
4.2消费者流程结构：
四
a)用一个整型数组Buffer_NUM来代表缓冲区。生产产品及对已有产品消费都需要访问该组缓冲区。
缓冲区的大小和结构体：
struct Buffer
{
int product[BUFFER_NUM]; //缓冲区
int start, end; //两个指针相当于教材中的in out指针
多进程同步方法解决生产者-消费者问题
课程设计报告课程名称:操作系统实验题目：用多进程同步方法解决生产者—消费者问题院系：计算机科学与工程学院班级：姓名:学号：指导老师：一、概述：1、问题描述：用多进程同步方法解决生产者—消费者问题设计目的:通过研究Linux 的进程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制.说明:有界缓冲区内设有20个存储单元,放入/取出的数据项设定为1-20这20个整型数。
设计要求：1）每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后,即时显示有界缓冲区的全部内容,当前指针位置和生产者/消费者线程的标识符.2) 生产者和消费者各有两个以上.3）多个生产者或多个消费者之间须有共享对缓冲区进行操作的函数代码。
2、程序设计基本思想:生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述.计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源.当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。
而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者.⏹一个有限空间的共享缓冲区，负责存放货物.⏹生产者向缓冲区中放物品，缓冲区满则不能放.⏹消费者从缓冲区中拿物品，缓冲区空则不能拿。
因为有多个缓冲区，所以生产者线程没有必要在生成新的数据之前等待最后一个数据被消费者线程处理完毕。
同样，消费者线程并不一定每次只能处理一个数据。
在多缓冲区机制下，线程之间不必互相等待形成死锁,因而提高了效率。
多个缓冲区就好像使用一条传送带替代托架,传送带上一次可以放多个产品。
生产者在缓冲区尾加入数据，而消费者则在缓冲区头读取数据.当缓冲区满的时候，缓冲区就上锁并等待消费者线程读取数据;每一个生产或消费动作使得传送带向前移动一个单位，因而，消费者线程读取数据的顺序和数据产生顺序是相同的。
可以引入一个count计数器来表示已经被使用的缓冲区数量.用Producer和Consumer 来同步生产者和消费者线程。
每当生产者线程发现缓冲区满（ count=BufferSize ），它就等待Consumer事件.同样，当消费者线程发现缓冲区空，它就开始等待Producer.生产者线程写入一个新的数据之后，就立刻发出Consumer来唤醒正在等待的消费者线程;消费者线程在读取一个数据之后，就发出Producer来唤醒正在等待的生产者线程。
生产者-消费者问题（进程同步问题）
⽣产者-消费者问题（进程同步问题）最近在学线程,在加上操作系统也在学线程,于是乎有了这篇⽂章问题描述:⼀群⽣产者进程在⽣成产品,并将这些产品提供给消费者进程去消费. 他们之间有⼀个公共的缓冲区⽤来存放产品,当产品为空时消费者不能消费,当产品为满时⽣产者不能⽣产CPP实现利⽤mutex 互斥量来对缓存区的操作进⾏加锁#include <chrono>#include <iostream>#include <mutex>#include <thread>constexpr int n = 10; // 缓存区⼤⼩int in = 0, out = 0; // ⽣产指针,消费指针int full = 0, empty = 10; // 空与满int buffer[10]; // 缓存区std::mutex mtx; // 互斥量/*** ⽣产者函数*/void producer() {do {while (full == n);std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));{std::scoped_lock lock(mtx);buffer[in] = 1;in = (in + 1) % n;std::cout << "⽣产者⽣产:" << in << "\n";empty--;full++;}} while (true);}/*** 消费者函数*/void consumer() {do {while (empty == n);{std::scoped_lock lock(mtx);buffer[out] = 0;out = (out + 1) % n;std::cout << "消费者消费:" << out << "\n";empty++;full--;}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));} while (true);}int main() {std::thread t1{producer};std::thread t2{consumer};t1.join();t2.join();return 0;}Java实现⽤Storage对象模拟缓存区,关键代码如下/*** 存储类*/public class Storage {private Product[] products = new Product[10];private int top = 0;public synchronized void push(Product product){while(top == products.length){try{System.out.println("producer wait");wait(); //缓冲区满,⽆法⽣产,则阻塞}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}products[top++] = product;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ⽣产了 "+product); System.out.println("producer notifyAll");notifyAll(); //⽣产出新的产品,唤醒消费者进程}public synchronized Product pop(){while (top==0){try{System.out.println("consumer wait");;wait(); //缓冲区空,⽆法消费,阻塞}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}--top;Product p = new Product(products[top].getId(),products[top].getName()); products[top] = null;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " 消费了 "+p);System.out.println("consumer notifyAll");notifyAll(); //消费了产品,唤醒⽣产者return p;}}public class Producer implements Runnable{private Storage storage;public Producer(Storage storage){this.storage = storage;}@Overridepublic void run() {int i=0;Random r = new Random();while(i<10){i++;Product product = new Product(i,"电话"+r.nextInt(100));storage.push(product);}}}public class Consumer implements Runnable{private Storage storage;public Consumer(Storage storage){this.storage = storage;}@Overridepublic void run() {int i=0;while (i<10){i++;storage.pop();try {Thread.sleep(1000);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();} } }}。
进程同步互斥经典问题
进程同步互斥经典问题
进程同步与互斥是操作系统中的经典问题。
在多进程环境下，由于各个进程同时访问共享资源，会导致一系列问题，如数据不一致、死锁等。
因此，在进行多进程编程时，必须采取一些措施来保证进程之间的同步和互斥。
同步指的是在多个进程或线程之间，按照一定的顺序来执行程序流程，使得它们能够协同工作。
互斥指的是在多个进程或线程之间，对共享资源的访问进行限制，保证同一时间只有一个进程或线程能够进行访问，以防止数据的混乱和错误。
常见的进程同步和互斥问题包括生产者-消费者问题、读者-写者问题、哲学家就餐问题等。
这些问题都需要借助一些同步工具，如信号量、互斥锁、条件变量等来实现进程之间的同步和互斥。
在进行多进程编程时，需要充分理解进程同步和互斥的概念和原理，熟练掌握各种同步工具的使用方法，才能保证多进程程序的正确性和稳定性。
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学习中心：
专业：
年级：年春/秋季
学号：
学生：
题目：进程同步与互斥生产者-消费者问题
1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？
转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。
在这个学期中，通过老师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。
在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程
1.1设计思路
在这次设计中定义的多个缓冲区不是环形循环的，并且不需要按序访问。
其中生产者可以把产品放到某一个空缓冲区中，消费者只能消费被指定生产者生产的产品。
本设计在测试用例文件中指定了所有生产和消费的需求，并规定当共享缓冲区的数据满足了所有有关它的消费需求后，此共享才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。
本设计在为生产者分配缓冲区时各生产者之间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。
而消费者之间只有在对同一个产品进行消费时才需要互斥，它们在消费过程结束时需要判断该消费者对象是否已经消费完毕并释放缓冲区的空间。
1.2程序流程图
1.3基本内容
在设计程序时主要有三个主体部分、三个辅助函数和一个数据结构。
其中主体部分为一个主函数main （），用于初始化缓冲区和各个同步对象，并完成线程信息的读入，最后根据该组的线程记录启动模拟线程，并等待所有线程的运
主函数
初始化缓冲区，消费请求队列及部分同步对象
提取线程信息
完成线程相关同步对象的初始化
等待所有线程结束
创建线程模拟生产和消费
程序结束
消费者
有消费请求？
此请求可满足？
确定产品位置
此产品正被消费？
进入临界区（对同一产品进
行请求的消费者之间互斥）
消费产品、并判断是否应该
释放产品所占缓冲区 结束消费进程
生产者
存在空缓冲区？
另一生产者正在生产？
进入临界区 （所有生产者之间互斥）
从空缓冲区中为本生产者的产品分配一个空间
退出临界区
在该缓冲区放入产品
通过信号量通知等待本产品的消费者
结束生产进程
退出临界区 Y
Y
Y
N
N
N
N
Y
Y
N
行结束后退出程序；
生产者函数Produce（）和消费者函数Consume（），生产者和消费者函数运行于线程中完成对缓冲区的读、写动作，根据此处生产消费的模型的特点，生产者和消费者之间通过使用同步对象实现了生产和消费的同步与互斥，是本实验的核心所在。
另外三个辅助性函数被生产者和消费者函数调用，是上述生产和消费函数中对缓冲区进行的一系列处理。
3)在实现本程序的消费生产模型时，具体的通过如下同步对象实现互斥：
①设一个互斥量h_mutex，以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个位置时进行互斥。
②每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量
③数组实现，该组信号量用于相应的产品已产生。
同时用一个表示空缓冲区
数目的信号量empty_semaphore进行类似的同步，只是缓冲区中是否存在空位置，以便开始生产下一个产品。
④每一个缓冲区用一个同步对象实现该缓冲区上消费者之间的互斥，这通过设置临界区对象数组PC_Crilical[MAX_BUFFER_NUM]实现。
1.4程序代码
运行程序如下图主菜单页面所示：
2.2结果分析
由于我们在一个循环中创建了这五个线程，所以认为它们是同时开始运转的。
根据第三列的延迟时间，最早开动作的是thread4生产产品。
它5个缓冲区的位置
[1]中生产了产品。
接下来是线程5和1，消费者5要求消费线程1生产的产品，线
程1还没有生产，所以先阻塞，然后,线程1发送生产请求，线程1生产完产品放入位置[2]，消费者5才能够消费，接着消费者5要求消费线程2的产品，此产品还没生产，5线程被阻塞。
到第4秒时，线程2要求生产，产品放入位置[3]，消费者3消费线程1的产品.此时线程5所要求消费的产品已经都就绪，所以线程5消费被激活，顺利消费线程1,2,4生产者得产品。
所以，由于对每个产品的都是对它的最后一次消费，所以，消费完产品后随即释放该产品所占缓冲区空间。