山大操作系统实验4.doc

进程同步实验 张咪 软件四班 一、实验要求 加深对并发协作进程同步与互斥概念的理解，观察和体验并发进程同步与互斥操作的效 果，分析与研究经典进程同步与互斥问题的实际解决方案。了解Linux系统中IPC进程同 步工具的用法，练习并发协作进程的同步与互斥操作的编程与调试技术。 二、实验目的 抽烟者问题。假设一个系统中有三个抽烟者进程，每个抽烟者不断地卷烟并抽烟。抽烟 者卷起并抽掉一颗烟需要有三种材料：烟草、纸和胶水。一个抽烟者有烟草，一个有纸 ，另一个有胶水。系统中还有两个供应者进程，它们无限地供应所有三种材料，但每次 仅轮流提供三种材料中的两种。得到缺失的两种材料的抽烟者在卷起并抽掉一颗烟后会 发信号通知供应者，让它继续提供另外的两种材料。这一过程重复进行。 请用以上介绍的IPC同步机制编程，实现该问题要求的功能。 三、实验环境 实验环境均为Linux操作系统，开发工具为gcc和g++。 四、实验思路 1、约束： （1）某一时刻，只能有一个供应者，放入一对物品。 （2）某一时刻，只能有一个抽烟者，且要保证这个抽烟者恰好需要的就是刚刚生产的物 品。 （3）所有供应者提供这种物品之后，不论它 【知识点详解】 本实验主要涉及的操作系统知识点是进程同步与互斥，具体是通过IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）机制解决并发环境中进程协作的问题。实验目标是实现经典的“抽烟者问题”（Smoker Problem），这属于多线程编程中的经典案例，用于展示同步与互斥的实现。 1. **进程同步与互斥**： - **进程同步**是指多个进程协同工作，以完成一项任务，需要控制进程执行的相对顺序，以防止出现数据不一致或资源浪费。 - **互斥**是指同一时刻只允许一个进程访问临界资源，以避免资源竞争导致的数据错误。 2. **经典问题——抽烟者问题**： - 系统中包含三个抽烟者进程和两个供应者进程。 - 抽烟者需要烟草、纸和胶水三种材料，每个抽烟者只有一种材料。 - 供应者无限供应材料，但每次只提供两种。 - 当抽烟者获得缺失的材料后，需通知供应者提供剩余材料。 - 实现此问题的关键在于如何保证供应者与抽烟者的协调，以及资源的有效分配。 3. **Linux中的IPC进程同步工具**： - 在Linux中，常用的进程同步机制包括信号量（Semaphore）、消息队列、管道（Pipe）、共享内存等。 - 实验中使用的是信号量机制，包括互斥量（Mutex Semaphore）和条件变量（Condition Variable）。 4. **信号量机制**： - **互斥量**用于控制对临界资源的访问，确保同一时刻只有一个进程能进入临界区。 - **条件变量**则用于进程间的同步，进程在等待特定条件满足时可以释放资源进入等待状态，条件满足时被唤醒。 5. **实验思路**： - 实验设定约束，如同一时刻只有一个供应者和一个抽烟者在行动。 - 使用信号量实现供应者和抽烟者的同步与互斥，例如供应者生产后通知抽烟者，抽烟者取走材料后再通知供应者继续生产。 - 创建五个子进程，两个供应者，三个抽烟者。 - 使用信号量数组管理不同资源的可用状态和供应者之间的同步。 - 使用ftok函数生成关键ID，创建共享内存，供应者将生产信息写入共享内存，供其他进程读取。 6. **实验流程**： - 创建并初始化信号量。 - 创建进程，分配角色。 - 供应者根据信号量进行生产与通知，抽烟者根据信号量等待资源并消费。 - 使用`wait()`和`signal()`函数进行信号量操作，控制进程间的同步与互斥。 - 结束时释放资源，关闭信号量。 实验通过实际编程实现抽烟者问题，有助于深入理解进程同步与互斥的概念，以及如何在Linux环境下运用IPC机制解决问题。实验过程中，学生将学习到如何利用C语言编写多线程程序，并掌握信号量在解决并发问题中的应用技巧。