实验三 进程同步

实验目的

• 使用 EOS 的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义。

• 调试跟踪 EOS 信号量的工作过程，理解进程同步的原理。

• 修改 EOS 的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步的原理

预备知识

信号量机制

问题：

1.在双标志先检查法中，进入区的“检查”、“上锁”操作无法一气呵成，从而导致了两个进程有可能同时进入临界区的问题：
2.所有的解决方案都无法实现“让权等待”。

Dijkstra提出了信号量机制。

用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。

信号量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量），可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量，比如：系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量。

原语是一种特殊的程序段，其执行只能一气呵成，不可被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。软件解决方案的主要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”，因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现，使这些操作能“一气呵成”就能避免问题。

一对原语：wait(S)原语和signal((S)原语，可以把原语理解为我们自己写的函数，函数名分别为wait和signal,,括号里的信号量S其实就是函数调用时传入的一个参数。

wait、signal原语常简称为P、V操作（来自荷兰语proberen和verhogen)。因此，做题的时候常把wait(S以、signal(S)两个操作分别写为P(S)、V(S)

整型信号量

用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。

• 存在的问题：不满足“让权等待”原则，会发生“忙等”

记录型信号量

整型信号量的缺陷是存在“忙等”问题，因此人们又提出了“记录型信号量”，即用记录型数据结构表示的信号量。

对信号量S的一次P操作意味着进程请求一个单位的该类资源，因此需要执行S.value-,表示资源数减1，当S.vaue<0时表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用bock原语进行自我阻塞（当前运行的进程从运行态→阻塞态)，主动放弃处理机，并插入该类资源的等待队列SL中。可见，该机制遵循了“让权等待”原则，
不会出现“忙等”现象。

对信号量S的一次V操作意味着进程释放一个单位的该类资源，因此需要执行S.value++,表示资源数加1，若加1后仍是S.value<=0,表示依然有进程在等待该类资源，因此应调用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个进程（被唤醒进程从阻塞态→就绪态）

EOS内核的三种同步对象

• 互斥对象（Mutex）
• 信号量对象（Semaphore）
• 事件对象（Event）

这三种同步对象都涉及到两个状态signaled和nosignaled，进程间同步本质上是对这两个状态进行切换，不同对象有不同的切换逻辑，具体可参考源代码

EOS创建了如下调用，当线程对同步对象进行这种调用时，处于nosignaled的对象会变成signaled

ULONG WaitForSingleObject (
	IN HANDLE Handle,
	IN ULONG Milliseconds
)

生产者-消费者问题

系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。（注：这里的“产品”理解为某种数据）

生产者、消费者共享一个初始为空、大小为的缓冲区。

只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。

只有缓冲区不空时，消费者才形从中取出严品，合则必须等待。

缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

• 能否改变相邻的P,V操作的顺序？

不能颠倒，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，V操作不会导致进程阻塞，因此两个V操作顺序可以颠倒。

• 关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
• 整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。
• 设置信号量。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。（互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)

多生产者-多消费者问题

解决：

总结：在生产者-消费者问题中，如果缓冲区大小为1，那么有可能不需要设置互斥信号量就可以实现互斥访问缓冲区的功能。当然，这不是绝对的，要具体问题具体分析。

建议：在考试中如果来不及仔细分析，可以加上互斥信号量，保证各进程一定会互斥地访问缓冲区。但需要注意的是，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，否则可能引起“死锁”。

重要：

比如，如果从单个进程行为的角度来考虑的话，我们会有以下结论：
如果盘子里装有苹果，那么一定要女儿取走苹果后父亲或母亲才能再放入水果

如果盘子里装有橘子，那么一定要儿子取走橘子后父亲或母亲才能再放入水果

这么看是否就意味着要设置四个同步信号量分别实现这四个“一前一后”的关系了？
正确的分析方法应该从“事件”的角度来考虑，我们可以把上述四对“进程行为的前后关系”抽象为一对“事件的前后关系”
盘子变空事件→放入水果事件。“盘子变空事件”既可由儿子引发，也可由女儿引发；“放水果事件”既可能是父亲执行，也可能是母亲执行。这样的话，就可以用一个同步信号量解决问题了。

从事件的角度出发去考虑问题

实验过程

代码详见codecode已提交，就不在放在这里了