实验四___同步机构.docx

实验四同步机构实验内容模拟实现用同步机构避免并发进程执行时可能出现的与时间有关的错误。二、实验目的进程是程序在一个数据集合上运行的过程，进程是并发执行的，也即系统中的多个进 程轮流地占用处理器运行。我们把如干个进程都能进行访问和修改地那些变量成为公共变量。由于进程是并发执 行的，所以，如果对进程访问公共变量不加限制，那么就会产生“与时间有关”的错误，即 进程执行后，所得到的结果与访问公共变量的时间有关。为了防止这类错误，系统必须要用 同步机构来控制进程对公共变量的访问。一般说，同步机构是由若干条原语——同步原语——所组成。本实验要求学生模拟 PV 操作同步机构的实现，模拟进程的并发执行，了解进程 并发执行时同步机构的作用。三、实验题目模拟 PV 操作同步机构，且用 PV 操作解决生产者——消费者问题。[提示]：(1) PV 操作同步机构，由 P 操作原语和 V 操作原语组成，它们的定义如下：P 操作原语 P(s)：将信号量 s 减去 1，若结果小于 0，则执行原语的进程被置成等待信 号量 s 的状态。V 操作原语 V(s)：将信号量 s 加 1，若结果不大于 0，则释放一个等待信号量 s 的进程。 这两条原语是如下的两个过程：procedure p (var s: semaphore); begin s:=s-1;if s0 then W(s) end {p}procedure v (var s: semaphore); begin s: =s+1;if s=0 then R(s) end {V}其中 W(s)表示将调用过程的进程置为等待信号量 s 的状态；R(s)表示释放一个等待信号量 s 的进程。在系统初始化时应把 semaphore 定义为某个类型，为简单起见，在模拟实验中可把上 述的 semaphore 直接改成 integer。（2）生产者——消费者问题。 假定有一个生产者和消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。消费者每次从缓冲器内取出一件产品去消费。禁止生产者将产品 放入已满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。假定缓冲器内可同时存放 10 件产 品。那么，用 PV 操作来实现生产者和消费者之间的同步，生产者和消费者两个进程的程序 如下：B:array [0..9] of products; s1,s2: semaphore;IN, out; integer; IN:=0;out:=0; cobeginprocedure producer; c: products;begin L1:produce (c); p (s1); B[IN]:=C;IN:=(IN+1)mod 10; v(s2);goto L1 end;procedure consumer; x: products;begin L2:P(s2); x:=B[out;out:=(out+1) mod 10; v(s1);consume(x); goto L2end;coend其中的 semaphore 和 products 是预先定义的两个类型，在模拟实现中 semaphore 用 integer或 char 等代替。（3）进程控制块 PCB。为了纪录进程执行时的情况，以及进程让出处理器后的状态，断点等信息，每个进程 都有一个进程控制块 PCB。在模拟实验中，假设进程控制块的结构如图 4-1。其中进程的状态有：运行态、就绪态、等待态和完成态。当进程处于等待态时，在进程控制块 PCB 中要说 明进程等待原因（在模拟实验中进程等待原因为等待信号量 s1 或 s2）；当进程处于等待态或 就绪态时，PCB 中保留了断点信息，一旦进程再度占有处理器则就从断点位置继续运行；当 进程处于完成状态，表示进程执行结束。 进程名 状态 等待原因 断点图 4-1 进程控制块结构处理器的模拟。 计算机硬件提供了一组机器指令，处理器的主要职责是解释执行机器指令。为了模拟生产者和消费者进程的并发执行，我们必须模拟一组指令和处理器职能。 模拟的一组指令见图 4-2，其中每条指令的功能由一个过程来实现。用变量PC来模拟“指令计数器”，假设模拟的指令长度为1，每执行一条模拟指令后，PC加1，指出下一条指令地址。使用模拟的指令，可把生产者和消费者进程的程序表示为图 4-3 的形式。定义两个一维数组 PA[0..4]和 SA[0..4],每一个 PA[i]存放生产者程序中的一条模拟 指令执行的入口地址；每个 SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。于是 模拟处理器执行一条指令的过程为：取出 PC 之值，按 PA[PC] 或 SA[PC]得模拟指令执行的 入口地址，将 PC 之值加 1，转向由入口地