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。
操作系统第6章 进程互斥与同步
Co-begin void Producer_i( ) (i=1,2…k) { item next_p; while(1){ produce an item in next_p P(empty); P(s); add next_p to buffer V(s); V(full); } } void consumer_j( ) (j=1,2…m) { item next_c; while(1){ P(full); P(s); remove an item from buffer to next_c V(s); V(empty); consume the item in next_c}} Co-end
• 进入临界段之前要申请，获得批准方可进入； • 退出临界段之后要声明，以便其他进程进入。
用程序描述： While(1){ entry_section; critical_section; exit_section; remainder_section; }
解决临界段问题的软件算法必须遵循：
准则1:不能虚设硬件指令或假设处理机数目。 准则2:不能假设n个进程的相对速度。 准则3:当一个进程未处于其临界段时，不应阻止 其他进程进入临界段。 准则4:当若干进程欲进入临界段时，应在有限时 间内选出一个进程进入其临界段。 用准则3，4不难推出下面原则 协调各进程入临界段的调度原则： • 当无进程处于临界段时，允许一个进程立即进入临界段。
3.实现临界段的硬件方法
利用处理机提供的特殊指令实现临界区加锁。 常见硬件指令有: ⑴ “Test_and_Set”指令 该指令功能描述为： int *target ( 限定为0,1） int Test_and_Set (int *target) { int temp; temp = *target ； *target = 1; return temp; }
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。
进程同步和互斥的方法
进程同步和互斥的方法我折腾了好久进程同步和互斥的方法，总算找到点门道。
我一开始真是瞎摸索，就知道进程同步和互斥很重要，也看了些书上的理论，但实际一操作就抓瞎。
先说互斥吧。
我试过那种设置互斥锁的方法。
就好比啊，在一个房间里只有一把钥匙（互斥锁），几个进程就像是好几个人想进这个房间办事。
谁拿到钥匙谁就能进房间，别人就得在外面等着。
最开始我老是忘记在进程用完资源后释放锁，就像那个人办完事了却把钥匙揣兜里走了，后面的人就再也进不去房间了，导致其他进程一直处于等待状态，整个程序就好像卡住了一样。
后来才明白这个释放互斥锁是相当重要的步骤。
还有信号量的方法。
这就像是在电影院售票，要是没票了（信号量的值为0），那想进电影院看电影的进程（人）就只能等着。
在实现进程互斥的时候，信号量的值就设为1，只有一个进程能进入临界区，和互斥锁有点相似的作用。
不过这个操作起来也需要小心，我之前设置信号量的值就设置错了，把初始值设置得过大或者过小，导致不该进去临界区的进程进去了，造成了混乱。
当时可真是让人头疼。
进程同步呢，我也有些经验。
比如说有生产者- 消费者模型的同步。
生产者就像是面包师傅做面包，消费者是买面包的人。
面包店有个仓库（缓冲区）。
要是仓库满了，面包师傅得停下来，这时候就得靠同步机制了。
我使用消息队列来实现这个同步。
生产者把生产好的东西（面包）放入消息队列，当消息队列满了，生产者就暂停生产。
消费者从消息队列里面取东西，要是队列空了，消费者就等待。
虽然这个思路是对的，但在实际编程中，我对消息队列的操作函数不太熟练，老是写错参数之类的。
所以啊，我给大家一些建议，不管用哪种方法实现进程同步和互斥，首先得彻底理解原理，就像盖房子打地基一样重要。
还有就是多做实验，在测试过程中你会发现很多莫名其妙的问题，但正是解决这些问题才能真正掌握这些方法。
另外，写代码的时候千万别着急，一点一点来，不然就容易出现我之前犯过的那些错误。
关于进程同步和互斥还有好多其他的实现方式，我现在也还在学习研究。
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。
操作系统课程设计“生产者-消费者”问题
《操作系统》课程设计题目：“生产者-消费者”问题学院：信息工程学院专业：计算机科学与技术班级：计科1302*名：***指导老师：***2016年1月 15日目录一、课程设计目标 (2)二、课题内容 (2)1．实验目的 (2)2、实验环境 (2)3、实验要求 (2)三、设计思路 (3)1.信号量的设置 (3)2.系统结构 (4)3.程序流程图 (5)4.P V操作代码 (6)四、源代码 (7)五、运行与测试 (10)六、心得体会 (12)一、课程设计目标学习System V的进程间通信机制，使用信号量和共享内存实现经典进程同步问题“生产者-消费者”问题。
具体要求：1.创建信号量集，实现同步互斥信号量。
2.创建共享内存，模拟存放产品的公共缓冲池。
3.创建并发进程，实现进程对共享缓冲池的并发操作。
二、课题内容1．实验目的（1）掌握基本的同步互斥算法，理解生产者和消费者同步的问题模型。
（2）了解linux中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。
2、实验环境：C/C++语言编译器3、实验要求（1）创建生产者和消费者线程在linux环境下，创建一个控制台进程，在此进程中创建n个线程来模拟生产者或者消费者。
这些线程的信息由本程序定义的“测试用例文件”中予以指定。
（2）生产和消费的规则在按照上述要求创建线程进行相应的读写操作时，还需要符合以下要求：①共享缓冲区存在空闲空间时，生产者即可使用共享缓冲区。
②从上边的测试数据文件例子可以看出，某一生产者生产一个产品后，可能不止一个消费者，或者一个消费者多次地请求消费该产品。
此时，只有当所有的消费需求都被满足以后，该产品所在的共享缓冲区才可以被释放，并作为空闲空间允许新的生产者使用。
③每个消费者线程的各个消费需求之间存在先后顺序。
例上述测试用例文件包含一行信息“5 C 3 l 2 4”，可知这代表一个消费者线程，该线程请求消费1，2，4号生产者线程生产的产品。
而这种消费是有严格顺序的，消费1号线程产品的请求得到满足后才能继续往下请求2号生产者线程的产品。
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。
现代操作系统课程设计报告 生产者与消费问题
进程同步模拟设计——生产者和消费者问题第一章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。
第二章背景介绍2.1 “生产者—消费者”问题(the producer-consumer problem)生产者-消费者（producer-consumer）问题，也称作有界缓冲区（bounded-buffer）问题，两个进程共享一个公共的固定大小的缓冲区。
其中一个是生产者，用于将消息放入缓冲区；另外一个是消费者，用于从缓冲区中取出消息。
问题出现在当缓冲区已经满了，而此时生产者还想向其中放入一个新的数据项的情形，其解决方法是让生产者此时进行休眠，等待消费者从缓冲区中取走了一个或者多个数据后再去唤醒它。
同样地，当缓冲区已经空了，而消费者还想去取消息，此时也可以让消费者进行休眠，等待生产者放入一个或者多个数据时再唤醒它。
问题分析：该问题涉及到操作系统进程管理当中的两个重要概念——同步和互斥。
同步，表现在生产者和消费者需要协同工作，步调不能拉开太大（由缓冲区大小n决定，n越大，缓冲空间越大，步调可以拉得越开；n=1时，必须是生产一个，消费一个，生产者和消费者就完全同步了）。
当步调差距超过极限时，走在前面的当前进程（生产者）调用P 原语时由于资源耗尽，被阻塞；步调靠后的继续向前推进。
由此实现同步。
互斥，表现在生产者与消费者、生产者与生产者、消费者与消费者任何两个成员之间必须互斥地使用缓冲区。
当有一个成员进入缓冲区存/取产品时，其他成员将被关在门外排队等候（被阻塞）；当完毕时，通知队首成员进入。
由操作系统理论可知，我们需要三个信号量，分别命名full, empty, mutex，来分别代表消费者的可用资源数、生产者的可用资源数、缓冲区是否可用。
操作系统复习资料全第二章 进程管理(3)-经典同步问题
信号量S的值除初始化（为资源数目）外，其值只能通过原
语wait和signal，也称P、V操作来改变。
整型信号量的P、V操作描述
wait和signal
wait(S): while S≤0 do no-op S∶=S-1; signal(S): S∶=S+1; 解释：P或wait操作：当S≤0时，说明无资源可用，一直测试直到其他进程 释放该类资源。
1. 至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少 有一位哲学家能够进餐。（增加一个总资源信号量S=4）
2. 仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐 （AND型信号量）。
3. 规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子； 而偶数号哲学家则相反。按此规定，将是1、 2号哲学家竞争1号 筷子；3、4号哲学家竞争3号筷子。即五位哲学家都先竞争奇数 号筷子，获得后，再去竞争偶数号筷子，最后总会有一位哲学家 能获得两只筷子而进餐。
1. 利用记录型信号量解决读者 为实现Reader与Writer进程间在读或写时的互斥而设置了一个互 斥信号量Wmutex； 设置一个整型变量Readcount表示正在读的进程数目； 当 Readcount=0 时，表示尚无 Reader 进程在读时， Reader 进 程才需要执行 Wait(Wmutex) 操作。若 wait(Wmutex) 操作成功， 做Readcount+1和读文件操作； 当Reader进程在执行了Readcount减1操作后其值为0时，才须 执行signal(Wmutex)操作，以便让Writer进程写； 又因为Readcount是一个可被多个 Reader进程访问的临界资源， 因此，应该为它设置一个互斥信号量rmutex。
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。
生产者与消费者之间的同步与互斥问题
问题描述
• 一个仓库可以存放K件物品。生产者每生产一件 产品，将产品放入仓库，仓库满了就停止生产。 消费者每次从仓库中去一件物品，然后进行消费， 仓库空时就停止消费。 • 生产者与消费者问题是许多相互合作进程的一种 抽象。例如，在输入时，输入进程是生产者，计 算进程是消费者。在输出时，计算进程是生产者， 打印进程是消费者。
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
例 1
电子邮件信箱
1 2
……
n
发送进程 A接收进程Fra bibliotekB当信箱满时，发送进程只有等待接收进程取走信件， 当信箱空时，接收进程必须等待发送进程发送信件。
生产者与消费者之间的同步与互斥问题 同步问题：
1.只要缓冲池未满，生产者便可将消息送入缓 冲池，否则等待。 2.只要缓冲池未空，消费者便可从缓冲池中取 走一个消息，否则等待。
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
•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
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。
操作系统很全很详细的进程同步与互斥 问题
进程的同步
例1：请用信号量机制描述下列并发进程的同步关系。 请用信号量机制描述下列并发进程的同步关系。
S P1
P2
P3
P4 F
进程的同步
解法一：信号量表示进程能否开始。 解法一：信号量表示进程能否开始。 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程 、P2、 分别表示进程P1 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程P1、P2、 P3、P4能否开始执行，其初值m1为1，其余均为0。 P3、P4能否开始执行 其初值m1为 其余均为0 能否开始执行，
思考： 思考： 哪个信号量可以省略？ 哪个信号量可以省略？
m1 p4() {
P(m3) ； 执行p3； 执行p3； V(m4) ；
P(m4) ； P(m4)； P(m4)； 执行p4； 执行p4；
}
}
}
}
进程的同步
解法二：信号量表示进程是否结束。 解法二：信号量表示进程是否结束。 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程 、P2、 分别表示进程P1 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程P1、P2、 P3、P4是否结束，其初值均为0。 P3、P4是否结束 其初值均为0 是否结束，
进程的同步
例3-2：吃水果。 吃水果。 父亲 父亲 { 洗水果； 洗水果； 放水果； 放水果； } } P1 0 桔子 苹果 女儿 儿子 { 取桔子； 取桔子； 吃桔子； 吃桔子； } P2 女儿 P3 while(true) { 取苹果； 取苹果； 吃苹果； 吃苹果； 儿子
while (true)
p3() { while(1) { P(m3) ； 取苹果； 取苹果； V(m1)； V(m1)； 吃苹果； 吃苹果； } }
进程的同步
同步与互斥实例
(2)每个进程每次只拣一个子，当一个进程在 拣子时不允许另一进程去拣子；
(3)当一个进程拣了一个子（黑或白）以后， 必让另一个进程拣一个子（黑或白） 。
请用P、V操作管理两个并发进程，使其能正 确实现上述功能。
Var S1, S2: semaphore:=1,0;
理发师问题理发师问题l理发店里有一位理发师一把理发椅和n把供等候理发的顾客坐的椅子l如果没有顾客理发师便在理发椅上睡觉l一个顾客到来时它必须叫醒理发师l如果理发师
进程同步与互斥实例
同步实例
1.经典的生产者─消费者问题
生产者
消费者
1.经典的生产者─消费者问题
var B : integer;
empty:semaphore; /* 可以使用的空缓冲区数 */
process 小和尚: begin repeat P(empty); P(count); P(mutex1); 从井中取水； V(mutex1); P(mutex2); 送水入水缸； V(mutex2); V(count); V(full); until false;
end
Var mutex1, mutex2, empty, full, count: semaphore;
④在每个进程中用于实现互斥的PV操作必须成对出现；用于实现 同步的PV操作也必须成对出现，但可以分别出现在不同的进程中； 在某个进程中如果同时存在互斥与同步的P操作，则其顺序不能颠 倒，必须先执行对同步信号量的P操作，再执行对互斥信号量的P 操作，但V操作的顺序没有严格要求。
同步与互斥的解题步骤
full:semaphore;
/* 缓冲区内可以使用的产品数 */
empty := 1;
进程管理四经典进程同步问题
1. AND型信号量集
AND型信号量集用于同时需要多种资源且每种占用一个时的信 号量操作； • 问题：一段处理代码需要同时获取两个或多个临界资源―― 可能死锁：各进程分别获得部分临界资源，然后等待其余的 临界资源，"各不相让" • 解决方法：在一个wait原语中，将一段代码同时需要的多个 临界资源，要么全部分配给它，要么一个都不分配。称为 Swait(Simultaneous Wait)。 • 在Swait时，各个信号量的次序并不重要，虽然会影响进程归 入哪个阻塞队列。由于是对资源全部分配或不分配，所以总 有进程获得全部资源并在推进之后释放资源，因此不会死锁。
怎样判断有没有读者在读？
增加一个公共变量Readcount，表示当前有 几个读者进程在读。
新来一个读者进程，Readcount加1； 撤销一个读者进程，Readcount减1； 第一个读者：阻塞所有写者进程；允许其他读者进程执行。 最后一个读者：唤醒可能的写者进程。 Readcount成为临界资源，必须互斥访问： 增加互斥信号量Rmutex
需要注意： 原先处于阻塞状态的进程，被唤醒后，从何处开始执行？ 与 记录型信号量机制有何不同？
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生产者－消费者问题 － AND型信号量机制
• 若不愿意考虑wait操作的先后顺序，也可用AND型信号 量来实现。 • 生产者进程中： – 用Swait(empty,mutex)代替wait(empty)和wait(mutex), – 用Ssignal(mutex,full)代替signal(mutex)和signal(full) • 消费者进程中 – 用Swait(full,mutex)代替wait(full)和wait(mutex), – 用Ssignal(mutex,empty)代替signal(mutex)和 signal(empty)
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
操作系统实验报告-进程同步与互斥
操作系统实验报告-进程同步与互斥(总12页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--《进程同步与互斥》实验报告学号姓名专业、班实验地点指导教师时间一、实验目的1、掌握基本的进程同步与互斥算法，理解生产者-消费者问题。
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。
4、设计程序，实现生产者-消费者进程(线程)的同步与互斥；二、实验环境Windows 2000/XP + Visual C++三、实验内容以生产者-消费者模型为依据，在Windows 2000/XP环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。
四、设计思路和流程框图生产者进程的功能：生产东西，供消费者消费；消费者进程的功能：消费生产者生产的东西。
生产者生产产品并存入缓冲区供消费者取走使用，消费者从缓冲器内取出产品去消费。
在生产者和消费者同时工作时，必须禁止生产者将产品放入已装满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。
五、源程序（含注释）清单六、测试结果以及实验总结1、通过实验进一步了解了基本的进程同步与互斥算法，理解生产者-消费者问题2、掌握了相关API的使用方法。
3、了解到进程是一个可以拥有资源的基本单位，是一个可以独立调度和分派的基本单位。
而线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分配的基本单位，故又称为轻权（轻型）进程(Light Weight Process)。
4、了解到同步对象是指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。
成绩备注：实验报告文档的名称：姓名_实验编号（例如：张三_1、张三_2）；实验报告发送到。
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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。
1.2程序流程图
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
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。
定义一个数据结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数。
1)用一个整型数组Buffer_Critical来代表缓冲区。
不管是生产产品还是对已有的产品的消费都需要访问该组缓冲区。
2)进程信息ThreadInfo数据结构，包含线程的各个信息。
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
2实验结果及问题分析
2.1 测试结果
测试文件内容为：
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thread 4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。