操作系统实验.doc-资料库

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《操作系统》实验指导书

实验项目一、实验目的（一）进程同步模拟实验实验类型实验学时验证 4 通过实验模拟读者和写者之间的关系，了解并掌握他们之间的关系及其原理。由此增加对进程同步的问题的了解。具体如下: 1）掌握基本的同步互斥算法，理解读者和写者模型； 2）了解 windows 中多线程（多进程）的并发执行机制，线程（进程）间的同步和互斥； 3）学习使用 windows 中基本的同步对象，掌握相应的 API。二、设备与环境 1. 硬件设备：PC 机一台 2. 软件环境：安装 Windows 操作系统或者 Linux 操作系统，并安装相关的程序开发环境，如 C \C++\Java 等编程语言环境。三、实验要求用高级语言编写和调试一个采用“读写平等”策略的“读者-写者”问题的模拟程序。利用模拟用信号量机制实现读者和写者问题：通过用户控制读进程和写进程，反应读者和写者问题中所涉及的进程的同步与互斥。 1. 问题描述：模拟用信号量机制实现读者和写者问题，即有两组并发进程:读者和写者,共享一组数据区，进行读写操作，要求任一时刻“写者”最多只允许一个，而“读者”则允许多个。 2. 规则说明：允许多个读者同时执行读操作；不允许读者、写者同时操作；不允许多个写者同时操作。四、实验设计参考 1. 分析读者和写者的相互关系： 1）“读－写”互斥，即不能同时有一个读者在读，同时去有一个写者在写； 2）“写－写”互斥，即不能有两个写者同时进行写操作； 3）“读－读”允许，即可以有两个以上的读者同时进行读操作。 2. 采用的信号量机制 1）Wmutex 表示读写的互斥信号量，初值： Wmutex =1； 2）公共变量 Rcount 表示“正在读”的进程数，初值：Rcount =0； 3）Rmutex：表示对 Rcount 的互斥操作，初值：Rmutex=1。 main() {int Wmutex=1; int Rmutex=1; int Rcount=0; cobegin read1(); … readi(); write1(); V(Rmutex); while (false); 写者进程： writem() { P P(Wmutex); 写读者进程： Readn() { P(Rmutex); Rcount++; if (Wmutex); (Rcount==1) V(Rmutex); 读 P(Rmutex); 1

… writej(); coend} Rcount--; if V(Wmutex); (Rcount==0) } V(Wmutex); 设计中首先用户输入读者个数 r_num 和写者个数 w_num，来模拟用信号量机制实现 r_num 个读者和 w_num 个写者同时处理一个数据区的问题。所有的读者或写者对操作的申请和完成都是由用户控制，更容易反映读者和写者问题的规律。 3. 算法流程图见下页 4. 数据结构说明 int r_num;//读者个数 int w_num;//写者个数 int Wmutex=1;//表示允许写或允许读 int Rcount=0;//表示正在读的进程数 int Rmutex=1;//表示对 Rcount 的互斥操作 int r[10]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//表示读者的状态，1 表示正在读 int w[10]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//表示写者的状态，1 表示正在写 int w_wait[11]={-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1};//表示等待队列,0-9 表示写者，10 时需引入读者的等 int r_wait[11]={-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1};//读者的等待队列,0-9 表示对应的读者，-1 为空待队列，-1 表示空 5. 模块说明四组 P、V 函数： 1）写者进程由 3 个函数组成 void write_p(int i);//模拟写者对 Wmutex 的 P 操作，同时也作为写者进程的入口 void write(int i);//开始写操作 void write_v(int i);//模拟写者对 Wmutex 的 V 操作，写操作完成的时候调用 2）读者进程由 8 个函数组成 void radd_p(int i);//模拟读之前对 Rmutex 的 P 操作，同时也作为读者进程的入口 void radd(int i);//Rcount 加 1 void read_p(int i);//模拟读者对 Wmutex 的 P 操作 void radd_v(int i);//模拟读之前对 Rmutex 的 V 操作 void read(int i);//读 void rsub_p(int i);//模拟读之后对 Rmutex 的 P 操作，读操作完成的时候调用 void rsub(int i);//Rcount 减 1 void read_v(int i);//模拟读者对 Wmutex 的 V 操作 void rsub_v(int i);//模拟读之后对 Rmutex 的 V 操作 2

开始输入读者和写者个数用户进行选择操作多进程？ Y No.1 写者？ N 读者进程同时进行读操作，写者依次进入等待用户进行选择操作结束 N 运行进程 Y 第一个写者进行写操作，后面进程依次进入等待状态【注意事项】 1. 遵守实验室的规章制度，维护实验教学秩序，不得随意拆卸、移动计算机。 2. 注意使用模块化程序设计方法，逐模块进行编写和调试。 3. 实验报告撰写要求结构清晰、描述准确逻辑性强；实验过程中，同学之间可以进行讨论互相提高，但绝对禁止抄袭。 3

实验项目一、实验目的（二）进程调度模拟实验实验类型实验学时设计 4 设计一个有N个进程并行的进程调度程序二、设备与环境 1. 硬件设备：PC 机一台 2. 软件环境：安装 Windows 操作系统或者 Linux 操作系统，并安装相关的程序开发环境，如 C \C++\Java 等编程语言环境。三、实验要求要求学生熟练掌握最高优先级优先的进程调度算法，并使用 C 语言编写程序模拟若干个进程的进程调度过程。 1 .问题描述：进程调度算法：采用最高优先级优先的调度算法。每个进程有一个进程控制块（ PCB）表示。进程控制块可以包含进程名、优先级、到达时间、需要运行时间、已用 CPU 时间、进程状态等等。进程的运行时间以时间片为单位进行计算。每个进程的状态是就绪 W（Wait）、运行 R（Run）、或完成 F（Finish）三种状态之一。进程名、优先级、需要运行时间通过键盘输入。就绪进程获得 CPU 后都只能运行一个时间片。用已占用 CPU 时间加 1 来表示。运行一个时间片后，进程的已占用 CPU 时间已达到所需要的运行时间，则撤消该进程，否则将进程的优先级减 1（即降低一级），然后把它插入就绪队列等待 CPU。每进行一次调度程序都打印一次运行进程、就绪队列、以及各个进程的 PCB，以便进行检查。重复以上过程，直到所有进程都完成为止。 2. 调度算法的流程图: 4

【注意事项】 1. 遵守实验室的规章制度，维护实验教学秩序，不得随意拆卸、移动计算机。 2. 注意使用模块化程序设计方法，逐模块进行编写和调试。 3. 独立完成实验，根据实验测试数据和结果认真完成实验报告。实验项目一、实验目的（三）基本存储器管理实验实验类型实验学时设计 2 理解分区式存储管理的基本原理，熟悉分区分配和回收算法。即理解在不同的存储管理方式下，如何实现主存空间的分配与回收；并掌握动态分区分配方式中的数据结构和分配算法及动态分区存储管理方式及其实现过程。二、设备与环境 1. 硬件设备：PC 机一台 2. 软件环境：安装 Windows 操作系统或者 Linux 操作系统，并安装相关的程序开发环境，如 VC \VC++\Java 等编程语言环境。三、实验原理实验要求使用可变分区存储管理方式，分区分配中所用的数据结构采用空闲分区表和空闲分区链来进行，分区分配中所用的算法采用首次适应算法、最佳适应算法、最差适应算法三种算法来实现主存的分配与回收。同时，要求设计一个实用友好的用户界面，并显示分配与回收的过程。同时要求设计一个实用友好的用户界面,并显示分配与回收的过程。 A、主存空间分配（1）首次适应算法在该算法中，把主存中所有空闲区按其起始地址递增的次序排列。在为作业分配存储空间时，从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到第一个能满足要求的空闲区，从中划出与请求的大小相等的存储空间分配给作业，余下的空闲区仍留在空闲区链中。（2）最佳适应算法在该算法中，把主存中所有空闲区按其起始地址递增的次序排列。在为作业分配存储空间时，从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到一个能满足要求的空闲区且该空闲区的大小比其他满足要求的空闲区都小，从中划出与请求的大小相等的存储空间分配给作业，余下的空闲区仍留在空闲区链中（3）最坏适应算法在该算法中，把主存中所有空闲区按其起始地址递增的次序排列。在为作业分配存储空间时，从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到一个能满足要求的空闲区且该空闲区的大小比其他满足要求的空闲区都大，从中划出与请求的大小相等的存储空间分配给作业，余下的空闲区仍留在空闲区链中。 B、主存空间回收当一个作业执行完成撤离时，作业所占的分区应该归还给系统。归还的分区如果与其它空闲区相邻，则应合成一个较大的空闲区，登记在空闲区说明链中，此时，相邻空闲区的合并问题，要求考虑四种情况： 2. 释放区下邻空闲区（低地址邻接） 3. 释放区上邻空闲区（高地址邻接） 4. 释放区上下都与空闲区邻接 5. 释放区上下邻都与空闲区不邻接 5

四、实验要求 1. 模拟操作系统的主存分配，运用可变分区的存储管理算法设计主存分配和回收程序，并不实际启动装入作业。 2. 采用首次适应法、最佳适应法、最坏适应法分配主存空间。 3. 当一个新作业要求装入主存时，必须查空闲区表，从中找出一个足够大的空闲区。若找到的空闲区大于作业需要量，这是应把它分成二部分，一部分为占用区，加一部分又成为一个空闲区。 4. 当一个作业撤离时，归还的区域如果与其他空闲区相邻，则应合并成一个较大的空闲区，登在空闲区表中。 5. 运行所设计的程序，输出有关数据结构表项的变化和内存的当前状态。五、实验设计参考 1.算法流图 main 函数的流程图选择算法 a a=1，首次适应算法 a=2，最佳适应算法 a=3，最坏适应算法初始化 first 和 end 整理分区序号显示空闲分区链选择操作 i i=1，分配空间函数 a i=0，退出程序 i=2，回收空间函数结束 6

分配空间的流程图分配空间函数 a=1 a=2 a=3 输入申请内存大小初始化 q，使它指向空闲块中长度小的初始化 q，使它指向空闲块中长度大的按顺序找空闲输入申请内存大小输入申请内存大小 p->data.length=requ est Y p 的状态为已分配 N p->data.length>request 分配不成功 N Y 剩下 p->data.length-=req uest 返回到整理分区序号回收空间的流程图（见下页） 2. 相关数据结构及关键函数说明  使用了 struct free_table 数据结构用来说明分区。包含：分区序号（num）、起始地址（address）、分区长度（length）和分区状态（state）。  使用了线性表的双向链表存储结构（struct Node），里面包含前驱指针（prior）和后继指针（next）。一开始定义一条（含有 first 和 end）的链，用开始指针和尾指针开创空间链表。然后分别按三种算法进行分配和回收。  在该程序中关键函数有，sort（）、allocation（）、recovery（）、和 First_fit（）、Best_fit （）、Worst_fit（）。其中：  sort（）函数用来整理分区序号。如在删序号 3 时，它与前面序号 2 相连在一起了，然后序号 2 中的长度若满足申请的内存大小，就会在序号 2 中分配，然后序号在 2 的基础上加 1，一直加，加到与原本序号 3 的下一个序号也就是 4 相等，这时 sort（）就开始有明显的工作了；  allocation（）用来分配空间。也是过渡到三个算法中的，当三个算法中满足或者不满足分配请求，都会又返回值给 allocation（）；  recovery（）用来回收内存。包含四种情况的处理，即释放区上与空闲区邻接、释放区下与空闲区邻接、释放区上下都与空闲区邻接、释放区上下都与空闲区不邻接。 7

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