操作系统第四次实验：进程调度实验
前言
为了帮助同学们完成痛苦的实验课程设计，本作者将其作出的实验结果及代码贴至CSDN中，供同学们学习参考。如有不足或描述不完善之处，敬请各位指出，欢迎各位的斧正！
一、实验目的
- 熟悉PV操作的实现原理。
- 熟悉信号量机制。使用信号量机制模拟实现PV操作，从而控制多个进程对共享资源的使用。
- 通过在Linux中使用信号量进行进程同步和互斥的方法，进一步理解进程间同步与互斥、临界区与临界资源的概念与含义，并学会 Linux信号量的基本使用方法。
二、实验环境
实验机房软件Ubuntu和在VMware虚拟机上安装的Linux操作系统。
三、实验内容及步骤
本实验基本POSIX有名信号量实现（既可用于进程间同步，也可用于线程间同步），下面给出其介绍：
- sem_open:创建并初始化一个有名信号量，如该信号量已经存在，则打开它。
（1）函数原型：sem_t* sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int value)；
（2）头文件：#include<semaphore.h>
（3）参数：name: 文件名路径，如’mysem’，会创建/dev/shm/sem.mysem
oflag：创建标志，有O_CREATE或O_CREATE | O_EXCL两个取值，O_CREATE表示信号量如存在，则打开之，如不存在，则创建；O_CREATE | O_EXCL表示信号量已存在，则返回error
mode：信号量访问权限，如0666代表所有人可读写
value：信号量初始化值
（4）返回值：成功则返回信号量指针，出错则返回SEM_FAILED。 - sem_wait:测试指定信号量的值，相当于P操作。若信号量大于0，则减1立刻返回，如信号量值等于0，则阻塞直到信号量值大于0，此刻立即减1，然后返回。
（1）函数原型：int sem_wait(sem_t *sem)；
（2）头文件：#include<semaphore.h>
（3）参数：sem，要测试的信号量指针。
（4）返回值：成功则返回0，出错则返回－1。 - sem_post:信号量值加1，相当于V操作。唤醒正在等待该信号量的某个进程或线程。
（1）函数原型：int sem_post(sem_t *sem)
（2）头文件：#include<semaphore.h>
（3）参数：sem,要访问的信号量指针。
（4）返回值：成功则返回0，出错返回－1。 - int sem_close(sem_t *sem)：关闭有名信号量，进程中，如果使用完信号量，应使用该函数关闭有名信号量。
- int sem_unlink(const char *name)：删除系统中的信号量，如果有任何进程/线程引用这个信号量，sem_unlink函数不会起到任何作用，即只有最后一个使用该信号量的进程来执行sem_unlink才有效。
1、编写一个C语言程序，进行10次循环，每个循环中，屏幕输出两次给定的字符。在使用互斥和不使用互斥的两种情况下，观察多个进程运行时的输出情况。
(1)使用gcc -o no_mutex no_mutex.c编译链接后生成目标代码，再使用./no_mutex&./no_mutex B运行，写出运行结果并分析。
(2)如下示例（with_sem.c）中，设置了一个信号量mutex，初始值为1，表示当前无人使用临界区，信号量使用完毕后，需要关闭，之后删除。使用gcc -o with_mutex with_mutex.c -lrt编译链接后生成目标代码，再使用./with_mutex &./with_mutex B运行，写出运行结果并分析。
(3)编写两个C语言black_chess.c以及red_chess.c，分别模拟下象棋过程中红方走子和黑方走子过程。走子规则：红先黑后，红、黑双方轮流走子，到第10步，红方胜，黑方输。
解题思路：设置以下两个同步信号量hei:初值1，代表黑方已经走子，轮到红方走子（满足“红先黑后”），hong:初值为0，代表红方尚未走子。
红方进程代码：red_chess.c如下，请编写出黑方代码black_chess.c，编译：
gcc -o red_chess red_chess.c -lrt
gcc -o black_chess black_chess.c -lrt
运行：
./red_chess&./black_chess
写出运行结果，并分析总结。
四、实验程序清单
//no_mutex.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
char message='x';
int i=0;
if(argc>1)
{
message=argv[1][0];
}
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%c",message);
fflush(stdout);
sleep(rand()%3);
printf("%c",message);
fflush(stdout);
sleep(rand()%2);
}
sleep(10);
exit(0);
return 0;
}
//with_mutex.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
char message='x';
int i=0;
if(argc>1)
{
message=argv[1][0];
}
sem_t *mutex=sem_open("mysem",O_CREAT,0666,1);
for(i=0;i<10;i++)
{
sem_wait(mutex);
printf("%c",message);
fflush(stdout);
sleep(rand()%3);
printf("%c",message);
fflush(stdout);
sem_post(mutex);
sleep(rand()%2);
}
sleep(10);
printf("\n");
sem_close(mutex);
sem_unlink("mysem");
exit(0);
return 0;
}
//red_chess.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
int i=0;
sem_t *hei=sem_open("chess_black_sem",O_CREAT,0666,1);
sem_t *hong=sem_open("chess_red_sem",O_CREAT,0666,0);
for(i=0;i<10;i++)
{
sem_wait(hei);
if(i!=9)
{printf("Red chess had moved,black chess go!\n");}
else
{printf("Red chess win!!!\n");}
fflush(stdout);
sem_post(hong);
}
sleep(10);
sem_close(hei);
sem_close(hong);
sem_unlink("chess_red_sem");
sem_unlink("chess_black_sem");
exit(0);
return 0;
}
//black_chess.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
int i=0;
sem_t *hei=sem_open("chess_black_sem",O_CREAT,0666,1);
sem_t *hong=sem_open("chess_red_sem",O_CREAT,0666,0);
for(i=0;i<10;i++)
{
sem_wait(hong);
if(i!=9)
{printf("Black chess had moved,red chess go!\n");}
else
{printf("Black chess win!!!\n");}
fflush(stdout);
sem_post(hei);
}
sleep(10);
sem_close(hei);
sem_close(hong);
sem_unlink("chess_red_sem");
sem_unlink("chess_black_sem");
exit(0);
return 0;
}
五、实验结果
分析：在不使用互斥的程序中，x和B的出现没有什么规律。（进程同步）
分析：在使用信号量来对临界资源进行互斥时，x和B以相同的数目交替出现。（进程互斥，进程交替执行）
分析：在使用信号量来对临界资源进行互斥时，红方与黑方以相同的次数（一次）交替出现、交替下棋（进程互斥，进程交替执行）
六、实验总结
- 用于实现同步、互斥的信号量都是成对出现的。实现互斥的信号量成对的P原语在V原语之前，实现同步的信号量成对的P原语在V原语之后。
- 同步执行的进程不会因制约关系而相互等待，所以可以无序执行；并发执行的进程因直接制约关系而需相互等待，相互合作，以实现各进程按相互协调的速度向前推进。
- 通过使用信号量，可以实现多个进程对临界资源的互斥访问，从而解决互斥问题，可以实现进程或语句之间的前趋关系，即实现进程之间的直接制约关系，从而解决同步问题。