《操作系统》课程设计-进程通信与进程同步机制实现

江苏大学《操作系统》课程设计说明书设计题目进程通信与进程同步机制实现学生姓名XXXXXX指导老师XXXXXX学院计算机学院专业班级软件工程X学号612355401完成时间XXXXXXXX一．课程设计题目某银行提供10个服务窗口（7个对私服务窗口，3个对公服务窗口）和100个供顾客等待的座位。

顾客到达银行时，若有空座位，则到取号机上领取一个号，等待叫号。

取号机每次仅允许一位顾客使用，有对公和对私两类号，美味顾客只能选取其中一个。

当营业员空闲时，通过叫号选取一位顾客，并为其服务。

请用P、V操作写出进程的同步算法。

二．课程设计目的1、掌握基本的同步与互斥算法，理解银行排队系统操作模型。

2、学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API 的使用方法。

3、了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。

三．课程设计要求◆学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；◆学习了解Windows同步对象及其特性；◆熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；◆设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥；◆提交实验报告。

四．需要了解的知识1.同步对象同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体，包括信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界区(Critical Section)和事件(Events)等。

本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。

2.同步对象的使用步骤：◆创建/初始化同步对象。

◆请求同步对象，进入临界区(互斥量上锁)。

◆释放同步对象(互斥量解锁)。

五．需要用到的API函数及相关函数我们利用Windows SDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有Windows SDK的所有工具和定义。

要使用这些API，需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API调用还需要包含其他头文件)。

本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍1、WaitForSingleObject( hSemaphoreChairs , INFINITE );WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE );●功能——使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现(即其值大于等于1)或超过规定的等待时间●格式DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);●参数说明hHandle——信号量指针。

dwMilliseconds——等待的最长时间(INFINITE为无限等待)。

2、ReleaseMutex( hMutex );●功能——打开互斥锁，即把互斥量加1。

成功调用则返回0●格式BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);ReleaseSemaphore( hSemaphoreShoppers ,1,NULL);●功能——对指定信号量加上一个指定大小的量。

成功执行则返回非0值●格式BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,LONG lReleaseCount,LPLONG lppreviousCount );●参数说明hSemaphore——信号量指针。

lReleaseCount——信号量的增量。

lppreviousCount——保存信号量当前值。

3、hShoppersThread = CreateThread ( NULL ,0 , fnTreadFunction ,NULL , 0 ,NULL );CreateThread●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程●格式HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,DWORD dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParamiter,DWORD dwCreationFlags,Lpdword lpThread );●参数说明lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。

dwStackSize——定义原始堆栈大小。

lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。

lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。

dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。

lpThread——保存线程标志符(32位)4、hMutex = CreateMutex ( NULL , FALSE , NULL ); hMutexBarber = CreateMutex ( NULL , FALSE , NULL );●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象●格式HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,BOOL bInitialOwner,LPCTSTR lpName);5. hSemaphoreChairs = CreateSemaphore ( NULL ,dwWaitVolume , dwWaitVolume , NULL );hSemaphoreShoppers = CreateSemaphore ( NULL ,0 , dwWaitVolume , NULL );●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象●格式HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,LONG lInitialCount,LONG lMaximumCount,LPCTSTR lpName );●参数说明lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。

lInitialCount——信号量的初始值。

该值大于0，但小于lMaximumCount指定的最大值。

lMaximumCount——信号量的最大值。

lpName——信号量名称。

hBarberThread = CreateThread ( NULL ,0 ,fnBarberFunction ,NULL , 0 ,NULL );●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程●格式HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,DWORD dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParamiter,DWORD dwCreationFlags,Lpdword lpThread );●参数说明lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。

dwStackSize——定义原始堆栈大小。

lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。

lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。

dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。

lpThread——保存线程标志符(32位)六．原理及算法1、信号量设置hMutex：取号机互斥信号量hSemaphorePubCus：等待对公服务顾客的数量hSemaphorePriCus:等待对私服务顾客的数量hSemaphoreSeats：剩余空座位的数量2、线程创建fnPubser1，fnPubser2，fnPubser3：3个对公窗口线程fnPriser1，fnPriser2，fnPriser3，fnPriser4，fnPriser5，fnPriser6，fnPriser7：7个对私窗口线程fnPubTreadFunction：对公顾客线程fnPriTreadFunction：对私顾客线程seat ：可用座位数量Pubcus=0：初始对公顾客等待数量Pricus=0：初始对私顾客等待数量dwCustoms=0：初始顾客排队数量3、P、V操作semaphorehMutex,hSemaphorePubCus,hSemaphorePriCus,hSemaphoreSeats;int seat，Pubcus=0，Pricus=0，dwCustoms=0；hMutex.value=1;hSemaphorePubCus.value=0;hSemaphorePriCus.value=0; hSemaphoreSeats.value=seat;process A//顾客线程{ int i=0;p(&hSemaphoreSeats);p(&hMutex);在取号机上取号；int set=rand（）%2；Switch（set）{case 0：创建对公顾客线程;dwCustoms++;default: 创建对私顾客线程；dwCustoms++；}v(&mutex);等待叫号；接受服务；v(&hSemaphorePubCus); //当取到对私服务号时为v（&hSemaphorePriCus);}process B//窗口线程，分对公窗口与对私窗口，执行过程相似，在此只写出其中一个窗口线程{P(&hSemaphorePubCus);//当取到对私服务号是为p（&hSemaphorePriCus）;若有顾客等待，则通过叫号为下一位顾客服务；dwCustoms--；v(&hSemaphoreSeats);为顾客提供服务顾客离开；}七．算法流程图八．主要数据结构及实现通过创建十二个线程来实现银行排队系统，3个对公窗口，7个对私窗口，1个对公等待顾客，1个对私等待顾客，十个窗口建立之后，来顾客就执行，没顾客就挂起，进入等待状态，通过设计一个随机数来实现对公对私窗口的区分，服务时间可以通过设计一个随机时间来实现，四个信号量，其中一个互斥信号量是取号机的，因为取号机只能一个人用，其余三个分别是等待室的信号量，对公和对私服务信号量，进来一个人时，先检查座位是否满了，没满，则取号，进入等待室，然后等待窗口叫号，当服务完时，离开并释放一个座位。

顾客线程创建过程：（顾客线程分对公顾客线程与对私顾客线程，创建过程基本类似，下面列举对公顾客线程创建过程）DWORD WINAPI fnPriTreadFunction(LPVOID lpParameter){/*进入等待室PV操作*/WaitForSingleObject( hSemaphoreSeats , INFINITE );//检查等待室有没有空位，有则继续WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE );//进入等待室，同时不允许其他顾客进入PrivateCustomers++;cout<<"\n第"<<PrivateCustomers<<"位对私顾客进入!\n";ReleaseMutex( hMutex );ReleaseSemaphore( hSemaphorePrivateCustomers,1,NULL);//释放一个信号量使顾客可以接受服务return 0 ;}窗口线程创建过程：（窗口线程分3个对公窗口与7个对私窗口，创建过程基本类似，下面列举对公窗口1线程创建过程）DWORD WINAPI PublicSevice2(LPVOID lpParameter){while(1){if (PublicCustomers <= 2){cout<<"对公窗口2空闲!\n";}/*开始对公服务PV操作*/WaitForSingleObject( hSemaphorePublicCustomers , INFINITE );//检查有没有顾客等待服务，有则继续WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE );//进入等待室时不允许其他顾客进入WaitForSingleObject(PublicSevice2 , INFINITE );//开始服务ReleaseMutex( hMutex );//释放互斥量，室其他人可以进入ReleaseSemaphore( hSemaphoreSeats ,1,NULL);//释放信号量使其它顾客可以进入等待室cout<<"第"<<PublicCustomers<<"位对公顾客正在服务!\n";//窗口正在服务，服务延时cout<<"第"<<PublicCustomers<<"位对公顾客离开!\n";WaitCustoms--;//记录顾客离开的序号ReleaseMutex( hSemaphoreSeats );//释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务CloseHandle(PublicSevice2);}}九．实验测试结果及结果分析结果分析顾客进入银行之后，首先判断是否有空座位，若有，则在取号机上取号，等待窗口服务。