大工18春《操作系统》大作业题目及要求答案

网络教育学院《操作系统》课程设计题目：题目四学习中心：专业：年级：学号：学生：1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？答：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。

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，凭借我对网页设计的热情和执着，我将来设计出的网页会更加专业，更完善。

感谢老师在百忙中阅卷，也感恩老师这学期以来对我的照顾，在老师的深刻讲授下让操作系统这门十分枯燥和难理解的学科变得生动有趣。

祝愿老师早日职称晋升，立项通过，身体健康，阖家欢乐。

谢谢老师！题目四：进程同步与互斥生产者与消费者问题一、设计思路：1.1生产者—消费者问题生产者—消费者问题（Producer_consumer）是一个经典的进程同步问题。

它描述的是：有一群生产者进程在生产产品，并将此产品提供给消费者进程去消费。

为使生产者进程和消费者进程能并发执行，在它们之间设置有个缓冲区的缓冲池，生产者进程可将它所生产的产品放入一个缓冲区中，消费者进程可从一个缓冲区取得一个产品消费。

尽管所有的生产者进程和消费者进程都是以异步的方式运行的，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有消息尚未被取走产品的缓冲区投放产品。

如下图所示：1.2、生产者和消费者原理分析在同一个进程地址空间内执行两个线程。

生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。

消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。

当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放一个空缓冲区。

当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻挡，直到新的物品被生产出来。

1.3、生产者与消费者功能描述：生产者功能描述：在同一个进程地址空间内执行两个线程。

生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。

当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。

消费者功能描述：消费者线程从缓冲区获得物品，然后释放缓冲区，当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。

二、基本内容进程同步是指几个进程相互合作，一个进程到达某个点后，除非另一个进程已经完成某些操作，否则就不得不停下来，等待这些操作的结束，这就是进程同步的概念。

生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra 提出，用以演示他提出的信号量机制。

本作业要求设计在同一个进程地址空间内执行的两个线程。

生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。

消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。

当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。

当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。

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。

通过一个有界缓冲区把生产者和消费者联系起来。

假定生产者和消费者是相互等效的，只要缓冲区未满，生产者就可以将产品送入缓冲区，类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中去走物品并消费它。

生产者和消费者的同步关系将禁止生产者向满的缓冲区输送产品，也禁止消费者从空的缓冲区中提取物品。

在生产者—消费者问题中，信号灯具有两种功能。

首先，它是跟踪资源的生产和消费的计数器；其次，它是协调资源的生产者和消费者之间的同步器。

消费者通过再一指派给它的信号灯上做P操作来表示消耗资源，而生产者通过在同一信号灯上做V操作来表示生产资源。

再这种信号灯的实施中，计数在每次P操作后减1，而在每次V操作中加1。

个这一计数器的初始值是可利用的资源数目。

当资源是不可利用时，将申请资源的进程放置在等待队列中。

如果有一个资源释放，在等待队列中的第一个进程被唤醒并得到资源的控制权。

为解决这一类生产者——消费者问题，设置了两个同步信号灯，一个说明空缓冲区的数目，用empty表示，其初值为有界缓冲区的大小n，另一个说明缓冲区的数目，用full表示，其初制值为0。

由于有界缓冲区是一个零界资源，必须互斥使用，所以另外还需设置一个互斥信号灯mutex,起初值为1。

假定在生产者和消费者之间的公用缓冲区中，具有n个缓冲区，这时可以利用互斥信号量mutex实现诸进程对缓冲池的互斥使用；利用信号量empty和full 分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量。

又假定这些生产者和消费者互相等效果，只要缓冲池未满，生产者便可以将消息送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者便可以从缓冲池中取走一个消息。

在生产者---消费者问题中应注意：首先，在每个程序中用于互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对出现；其次，对资源信号量empty和full 的wait和signal操作，同样需要成对地出现，但它们分别处于不同的程序中。

生产者与消费者进程共享一个大小固定的缓冲区。

其中，一个或多个生产者生产数据，并将生产的数据存入缓冲区，并有一个或多个消费者从缓冲区中取数据。

假设缓冲区的大小为n（存储单元的个数），它可以被生产者和消费者循环使用。

分别设置两个指针in和out，指向生产者将存放数据的存储单元和消费者将取出数据的存储单元，如图，指针in和out初始化指向缓冲区的第一个存储单元。

生产者从第一个存储单元开始存放数据，一次存放一条数据一条数据且in指针向后移一个位置，当in 指针指向第n个存储单元，下一次将指向第一个存储单元，如此循环反复使用缓冲区。

消费者从缓冲区中逐条取走数据，一次取一条数据，相应的存储单元变为“空”，可以被生产者再次使用。

每次取走一条数据，out指针向后移一个存储单元位置。

试想，如果不控制生产者与消费者，将会产生什么结果？1 2 3 4 5 6 7 8 nIn out1 2 3 4 5 6 7 8 nIn out其中，in表示存数据位置，out表示取数据位置：：空存储单元图：生产者/消费者循环使用缓冲区首先，生产者和消费者可能同时进入缓冲区，甚至可能同时读/写一个存储单元，将导致执行结果不确定。

这显然是不允许的。

所以，必须使生产者和消费者互斥进入缓冲区。

即某时刻只允许一个实体（生产者或消费者）访问缓冲区，生产者互斥消费者和其他任何生产者。

其次，生产者不能向满的缓冲区写数据，消费者也不能在空缓冲区中取数据，即生产者与消费者必须同步。

当生产者产生出数据，需要将其存入缓冲区之前，首先检查缓冲区中是否有“空”存储单元，若缓冲区存储单元全部用完，则生产者必须阻塞等待，直到消费者取走一个存储单元的数据，唤醒它。

若缓冲区内有“空”存储单元，生产者需要判断此时是否有别的生产者或消费者正在使用缓冲区，若是有，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，将数据存入缓冲区，释放缓冲区的使用权。

消费者取数据之前，首先检查缓冲区中是否存在装有数据的存储单元，若缓冲区为“空”，则阻塞等待，否则，判断缓冲区是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，进入缓冲区取数据，释放缓冲区的使用权。

其执行流程如图所示，伪代码如图所示。

2、涉及的数据结构①用资源向量Available。

这是一个含有m个元素的数组，其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。

如果Available[j]=K，则表示系统中县有RJ类资源K个。

②需求矩阵MAX。

这是一个N*M的矩阵，它定义了系统中N个进程中的每一个进程对M类资源的最大需求。

如果MAX[i,j]=K，则表示进程I需要RJ类资源的最大数目为K。

③矩阵Allocation。

这也是一个N*M的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。

如果Allocation[i,j]=K，则表示进程i当前已分得RJ类资源的数目为K。

④矩阵Need。

这也是一个N*M的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。

如果Need[i,j]=K，则表示进程I还需要RJ类资源K个，方能完成其任务。

上述三个矩阵间存在下述关系：Need[i,j]=MAX[i,j]-Allocation[i,j]三、数据流程图：3.1、生产者3.2、消费者3.3模块说明：const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; //缓冲区长度unsigned short ProductID = 0; //产品号unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号unsigned short in = 0; //产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned short out = 0; //产品出缓冲区时的缓冲区下标int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列bool g_continue = true; //控制程序结束 HANDLE g_hMutex; //用于线程间的互斥HANDLE g_hFullSemaphore; //当缓冲区满时迫使生产者等待HANDLE g_hEmptySemaphore; //当缓冲区空时迫使消费者等待DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生产者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消费者线程3.4源程序#include <windows.h>#include <iostream>const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20;//有界缓冲区长度int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER];//开辟缓冲区，用数组表示，可以看成是一个循环队列unsigned short ProductID = 0;//新生产出来的产品的产品号unsigned short ConsumeID = 0;//被消耗的产品的产品号unsigned short in = 0;//产品进缓冲区时的缓冲区下标，用于记录生产者的指针位置unsigned short out = 0;//产品出缓冲区时的缓冲区下标，用于记录消费者的指针位置bool g_continue = 1;//控制程序运行：1表示继续运行，0表示停止运行HANDLE g_hMutex;//线程间的互斥信号量HANDLE g_hFullSemaphore;//资源信号量：缓冲区满HANDLE g_hEmptySemaphore;//资源信号量：缓冲区空DWORD WINAPI Producer(LPVOID);//生产者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);//消费者线程const unsigned short PRODUCERS_COUNT=4;//生产者的个数const unsigned short CONSUMERS_COUNT=3;//消费者的个数const unsigned short THREADS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;//总线程数HANDLE hThreads[PRODUCERS_COUNT];//各线程的handleDWORD producerID[CONSUMERS_COUNT];//生产者线程的标识符DWORD consumerID[THREADS_COUNT];//消费者线程的标识符/*----------------------------生产一个产品开始------------------------------*///生产一个产品，输出其ID号void Produce(){std::cout<<std::endl;std::cerr<<"生产一个产品: "<<++ProductID;std::cout<<std::endl;}/*----------------------------生产一个产品结束------------------------------*//*----------------------把新生产的产品放入缓冲区开始------------------------*///把新生产的产品放入缓冲区void Append(){std::cerr<<"把生产的产品送入缓冲区";g_buffer[in]=ProductID;in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cerr<<std::endl;std::cout<<"缓冲区产品生产者/消费者"<<std::endl; //新产品放入缓冲区后，输出缓冲区当前的状态for(int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){//输出缓冲区下标if (i<10)std::cout<<i<<" "<<g_buffer[i];elsestd::cout<<i<<" "<<g_buffer[i];if(i==in){if(g_buffer[i]<10)std::cout<<" ";elsestd::cout<<" ";std::cout<<" <-- 生产者";//输出生产者的指针位置}if(i==out){if(g_buffer[i]<10)std::cout<<" ";elsestd::cout<<" ";std::cout<<" <-- 消费者";//输出消费者的指针位置}std::cout<<std::endl;}}/*----------------------把新生产的产品放入缓冲区结束------------------------*//*----------------------------消费一个产品开始------------------------------*/void Consume()//消费一个产品{std::cout<<std::endl;std::cerr<<"消费一个产品: "<<ConsumeID;std::cout<<std::endl;}/*----------------------------消费一个产品结束------------------------------*//*-----------------------从缓冲区中取出一个产品开始-------------------------*///从缓冲区中取出一个产品void Take(){std::cout<<std::endl;std::cerr<<"从缓冲区取出一个产品";ConsumeID=g_buffer[out];out=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cerr<<std::endl;std::cout<<std::endl;std::cout<<"缓冲区产品生产者/消费者"<<std::endl;//取出一个产品后，输出缓冲区当前的状态for(int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){//输出缓冲区下标if(i<10)std::cout<<i<<" "<<g_buffer[i];elsestd::cout<<i<<" "<<g_buffer[i];if(i==in){if(g_buffer[i]<10)std::cout<<" ";elsestd::cout<<" ";std::cout<<" <-- 生产者";//输出生产者的指针位置}if(i==out){if(g_buffer[i]<10)std::cout<<" ";elsestd::cout<<" ";std::cout<<" <-- 消费者";//输出消费者的指针位置}std::cout<<std::endl;}}/*-----------------------从缓冲区中取出一个产品结束-------------------------*//*-----------------------------生产者线程开始-------------------------------*///生产者线程DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara){while(g_continue){//资源信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);//互斥信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);//生产一个产品Produce();//把新生产的产品放入缓冲区Append();Sleep(2000);//互斥信号量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex);//资源信号量的V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);}return 0;}/*-----------------------------生产者线程结束-------------------------------*//*-----------------------------消费者线程开始-------------------------------*///消费者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara){while(g_continue){//资源信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE);//互斥信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);//从缓冲区中取出一个产品Take();//消费一个产品Consume();Sleep(2000);//互斥信号量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex);//资源信号量的V操作ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);}return 0;}/*-----------------------------消费者线程结束-------------------------------*//*---------------------------创建生产者线程开始-----------------------------*/void createPT()//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)g_continue=0;}}/*---------------------------创建生产者线程结束-----------------------------*//*---------------------------创建消费者线程开始-----------------------------*/void createCT()//创建消费者线程{for (int j=0;j<CONSUMERS_COUNT;++j){hThreads[PRODUCERS_COUNT+j]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,& consumerID[j]);if (hThreads[j]==NULL)g_continue=0;}}/*---------------------------创建消费者线程结束-----------------------------*//*-------------------------------主函数开始---------------------------------*/void main(){//创建互斥信号量g_hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);//创建资源信号量g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF _BUFFER-1,NULL);g_hEmptySemaphore=CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL );//创建生产者线程createPT();//创建消费者线程createCT();//不按回车键的话程序会一直运行下去while(g_continue)//按回车键终止程序if(getchar())g_continue = 0;}/*-------------------------------主函数结束---------------------------------*/四、总结：生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra 提出，用以演示他提出的信号量机制。