操作系统进程间通信实验.pdf-资料库

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操作系统实验 1 银行柜员服务问题操作系统实验一银行柜员服务问题实验报告邵鑫 2016011111 2018 年 11 月 5 日一、实验目的 1. 通过对进程间通信同步/互斥问题的编程实现，加深理解信号量和 P、V 操作的原理； 2. 对 Windows 或 Linux 涉及的几种互斥、同步机制有更进一步的了解； 3. 熟悉 Windows 或 Linux 中定义的与互斥、同步有关的函数。二、实验内容 ·问题描述：银行有 n 个柜员负责为顾客服务，顾客进入银行先取一个号码，然后等着叫号。当某个柜员空闲下来，就叫下一个号。编程实现该问题，用 P、V 操作实现柜员和顾客的同步。 ·实现要求： 1. 某个号码只能由一名顾客取得； 2. 不能有多于一个柜员叫同一个号； 3. 有顾客的时候，柜员才叫号； 4. 无柜员空闲的时候，顾客需要等待； 5. 无顾客的时候，柜员需要等待。 ·实现提示： 1. 互斥对象：顾客拿号，柜员叫号； 2. 同步对象：顾客和柜员； 3. 等待同步对象的队列：等待的顾客，等待的柜员； 4. 所有数据结构在访问时也需要互斥。第 1 页共 9 页

操作系统实验 1 银行柜员服务问题三、设计思路 ①怎样输入输出？输入输出数据的保存：使用结构体数组，非常方便 ②如何模拟银行排队的过程？对每一个柜员和顾客创建一个线程来模拟他们的行为。进程间通信使用 WINDOWS 提供的同步和互斥量 semaphore 和 Mutex:创建同步信号量 sema，确保柜员处于等待状态,创建顾客互斥量 cusmutex，防止多个顾客同时进入银行的时候拿到一样的号。创建柜员互斥量 servermutex，防止一个柜员服务多个顾客。 ③进程间同步与互斥的操作顺序和逻辑关系？ ·顾客进程睡眠相应时长模拟不同时间进入银行的过程 ·顾客进入银行： customermutex:P ·顾客取到号码： sema:V ·柜台开始服务时： servermutex:P sema:P ·柜台结束服务： servermutex:V customermutex：V 四、程序结构与主要代码分析程序结构基本如下确定参数：最大服务顾客数和柜台数目初始化建立核心变量：待服务顾客数、已服务顾客数、顾客柜员编号定义输入顾客、输出顾客、互斥/同步量数据类型定义线程 main 函数定义柜台服务线程定义顾客排号线程读入数据初始化互斥/同步量创建线程运行线程，等待顾客服务完毕关闭线程输出结果关键代码：创建线程与控制退出： for (int i = 1; i <= customer_number; i++)//创建顾客线程 CUS[i] = CreateThread(NULL, 0, PVcustomer, LPVOID(i), 0, NULL); for (int j = 1; j <= SERVER; j++)//创建柜员线程 SER[j] = CreateThread(NULL, 0, PVserver, LPVOID(j), 0, NULL); 第 2 页共 9 页

操作系统实验 1 银行柜员服务问题 while (customer_served != customer_number)//直到所有顾客均被服务进程间同步与互斥： DWORD WINAPI PVcustomer(PVOID PV) { } int num = (int)PV; customer_count++; lineout[customer_count].number = linein[num].number; lineout[customer_count].time_in = linein[num].time_in; lineout[customer_count].time_need = linein[num].time_need; Sleep(1000 * linein[num].time_in);//睡眠，直到进入 WaitForSingleObject(cusmutex, INFINITE);//这是取号 ReleaseMutex(cusmutex);//取完号就可以释放这个互斥量了 ReleaseSemaphore(sema, 1, NULL);//寻求柜员 return 0; DWORD WINAPI PVserver(PVOID PV) { while (true) { WaitForSingleObject(sema, INFINITE);//等待顾客取号 WaitForSingleObject(servermutex, INFINITE);//等待柜员互斥量，占用柜台 ReleaseMutex(servermutex);//我考虑过使用互斥量数组，如果有柜员编号，应该在结束后释放。如果只使用一个互斥量，在这里释放 server_number++; int n = server_number; time_t starttime = time(NULL); Sleep(1000 * lineout[n].time_need); time_t endtime = time(NULL); lineout[n].time_begin = starttime - time_begin; lineout[n].time_end = endtime - time_begin; lineout[n].servernumber = (int)PV; customer_served++;//服务完的顾客数目加一 } return 0; } 五、运行情况与结果分析在运行通过了样例数据之后，为了体现互斥与同步的正确性，我构造了如下数据，其中既有同时进入银行的顾客（考验顾客互斥量），也有同时开始服务的顾客（考验柜员互斥量）测试数据如下表所示：顾客编号进入时间服务时长 1 2 3 4 1 5 6 6 第 3 页共 9 页 10 2 3 2

操作系统实验 1 银行柜员服务问题 6 7 7 8 9 10 3 10 3 2 1 1 5 6 7 8 9 10 首先令柜员数目为 3，运行结果如下：表- 测试数据图- 运行结果 1 很明显该结果是正确的，同时我们也看到，由于柜员数目较少，许多顾客等了一段时间， 9 号顾客整整等了 5 分钟。修改柜员数目再次运行，这次令柜员数目为 5，运行结果如下图所示：第 4 页共 9 页

操作系统实验 1 银行柜员服务问题可以看到，所有柜员都参与到工作中，同时非常幸运的是，没有顾客等待，他们都是拿到号之后立刻找到了对应了柜员进行服务。图- 运行结果 2 六、思考题解答 1. 柜员人数和顾客人数对结果分别有什么影响？解：在上面的运行结果中我们也分析了。 ①柜员人数的影响：主要影响的是总时长（即银行柜员什么时候可以下班，也就是最后一位顾客什么时候走）和平均等待时间。其中平均等待时间这样计算： number ( t customer _ begin t average _ waiting  i 1    t in ) customer _ number 以我们在运行结果分析中使用的输入数据为例，改变柜员数目，得到如下结果：平均等待时间/min 总时间/min 柜员人数 2 3 4 5 6 22 19 18 17 17 表- 思考题分析 5.3 2.6 0.9 0.2 0 可以明显看到，在顾客进入银行的时间和服务时长分布相同的情况下，柜员越多，做完所有服务所需总时间长度越少，同时，顾客的平均等待时间越短。当柜员数目足够大时，再增加柜员数目将不会显著减少总时长和平均等待时间。 ②顾客人数的影响：如果我们固定柜员的人数，当顾客数目增大时，显然总时长会增加。第 5 页共 9 页

操作系统实验 1 银行柜员服务问题如果单位时间内进入银行的顾客数目增大，那么顾客的平均等待时间会增大，这些都是显而易见的。调试时对不同数据规模的测试数据的运行也说明了这一点。 2. 实现互斥的方法有哪些?各自有什么特点?效率如何? 优点简单方法禁止中断锁变量严格轮转法缺点把禁止中断的权利交给用户进程，导致系统可靠性较差；不适用于多处理器可能使两个进程同时处于临界区；忙等待有可能使临界区外的进程阻塞其他进程；忙等待 PETERSON 解决了互斥访问问题，克服了强制算法轮转法缺点，可以正常工作忙等待硬件指令方法信号量管程适用于任意数目的进程；简单，易验证其正确性；支持进程中存在多个临界区适用于任意数目的进程；解决忙等待问题提高代码可读性，便于修改和维护，正确性易于保证忙等待，耗费CPU时间实现较复杂，需要系统调用；同步操作分散，易读性较差，不利于修改和维护，正确性难以保证编译器必须识别管程并用某种方式对其互斥作出安排；多数语言不支持，不广泛消息传递适用于分布式系统更加复杂七、实验总结表- 不同互斥方法的比较本次实验的难点主要在于理解 WINDOWS 编程中的同步信号量和互斥信号量。由于有大量陌生的函数和对象，使得我编程和调试的过程特别艰难。不过好在问题本身很有意思，这让整个编程的过程充满了乐趣。通过这次实验，我学会了 WINDOW 中线程的基本使用方法，了解了同步和互斥在 WINDOW 下如何实现，更加深入地理解了简单的进程间通信问题。实验中还碰到了一些细碎的问题， ①我发现在不同的教程中，WINAPI 后面的参数既有 PVOID 也有 LPVOID，查阅资料之后发现是 16 位 CPU 的历史遗留问题，LPVIOD 为长寻址，现在使用起来已经没有什么区别了。 ②其实在创建线程的过程中，使用 CreatThread 并不是一种很好的方法，_beginthreade -x 可能是一种更好的方法。不过这里不是实际项目，就使用 CreatThread 方便分析。 ③WaitForMultipleObjects 真的是一个功能非常强大的函数，它可以在很多进程的应第 6 页共 9 页

操作系统实验 1 银行柜员服务问题用下表示等待某个信号量。我在查询相关知识学习后，学会了最简单的应用。调试过程出了以下问题，在我分析之后一一解决： ①由于用到了很多之前没有用过的函数和对象，我在设置参数的经常出毛病。比如对同步信号量参数不熟悉，一开始把两个参数（0 和 MAX_N 定义反了） ②犯了两个非常愚蠢的错误，一是数组下标从 0 开始却到小于等于总数，导致输入实际上多了一个；而是定义了宏 SEVER 之后，直接开了一个 SEVER 大小的静态数组，然后使用了 SER[SERVER]，导致数组越界，使得计数变量从一个非常奇怪的数字开始（应该是内存被占用了） ③一开始我定义了一个柜员互斥量数组，使用方法是：等待->使用->释放。后来想想觉得没有必要就改成了使用一个柜员互斥量，但是忘记了这时候需要改变顺序，应该是等待-> 释放->使用，结果运行结果发生了错误（即所有人都跑到一个柜员那去了），这让我苦恼了很久，后来在线程中逐步输出当前柜员编号和服务顾客编号，我才发现问题在于释放的顺序不正确。附录源代码 //Copyright by Shaoxin, Department of Electronic Engineering of Tsinghua University, China #define SERVER 3//定义柜员数目 #define MAX_N 50//定义最大顾客数目，考虑到一般银行的规模，这里定义为 50 #include #include #include #include #include #include using namespace std; HANDLE CUS[MAX_N+4], SER[SERVER+4];//注意扩大数组容量，防止溢出 int customer_served = 0;//已经服务过的顾客 int customer_number = 0;//顾客总数 int customer_count = 0;//顾客序号 int server_number = 0;//柜员序号 HANDLE sema = CreateSemaphore(NULL, 0, MAX_N, NULL);//同步信号量，确保柜员处于等待状态 HANDLE cusmutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);//顾客互斥量，防止多个顾客同时进入银行的时候拿到一样的号 HANDLE servermutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);//柜员互斥量，防止一个柜员服务多个顾客 struct customer//顾客信息结构体 { }; int number; int time_in; int time_need; struct printinfo//输出信息结构体 { int number; 第 7 页共 9 页

操作系统实验 1 银行柜员服务问题 int time_in; int time_begin; int time_end; int servernumber; int time_need; }; time_t time_begin = time(NULL);//开始计时 customer linein[MAX_N];//储存输入顾客信息 printinfo lineout[MAX_N];//储存输出顾客信息 DWORD WINAPI PVcustomer(PVOID PV) { } int num = (int)PV; customer_count++; lineout[customer_count].number = linein[num].number; lineout[customer_count].time_in = linein[num].time_in; lineout[customer_count].time_need = linein[num].time_need; Sleep(1000 * linein[num].time_in);//睡眠，直到进入 WaitForSingleObject(cusmutex, INFINITE);//这是取号 ReleaseMutex(cusmutex);//取完号就可以释放这个互斥量了 ReleaseSemaphore(sema, 1, NULL);//寻求柜员 return 0; DWORD WINAPI PVserver(PVOID PV) { while (true) { WaitForSingleObject(sema, INFINITE);//等待顾客取号 WaitForSingleObject(servermutex, INFINITE);//等待柜员互斥量，占用柜台 ReleaseMutex(servermutex);//我考虑过使用互斥量数组，如果有柜员编号，应该在结束后释放。如果只使用一个互斥量，在这里释放 server_number++; int n = server_number; time_t starttime = time(NULL); Sleep(1000 * lineout[n].time_need); time_t endtime = time(NULL); lineout[n].time_begin = starttime - time_begin; lineout[n].time_end = endtime - time_begin; lineout[n].servernumber = (int)PV; customer_served++;//服务完的顾客数目加一 } return 0; } int main() { 第 8 页共 9 页

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