<<操作系统>>第三次实验
进程同步
学院：计算机与信息技术
专业：信息安全（保密技术）
班级： 安全1601
姓名： 李超
学号： 16281194
2019年5月10日
1.实验目的
系统调用的进一步理解。
进程上下文切换。
同步与通信方法。
2实验题目
1）通过fork的方式，产生4个进程P1,P2,P3,P4，每个进程打印输出自己的名字，例如P1输出“I am the process P1”。要求P1最先执行，P2、P3互斥执行，P4最后执行。通过多次测试验证实现是否正确。
进程关系图：
伪代码：
Semaphore mutex1 := 0，mutex2 := 0，mutex3 := 0;
T1( ){
P1();
Signal(mutex1);
}
T2( ){
Wait(mutex1);
P2();
Signal(mutex2);
}
T3( ){
Wait(mutex1);
P3();
Signal(mutex3);
}
T4( ){
Wait(mutex2);
Wait(mutex3);
P4();
}
源代码：
运行结果：
2）火车票余票数ticketCount 初始值为1000，有一个售票线程，一个退票线程，各循环执行多次。添加同步机制，使得结果始终正确。要求多次测试添加同步机制前后的实验效果。(说明：为了更容易产生并发错误，可以在适当的位置增加一些pthread_yield()，放弃CPU，并强制线程频繁切换，例如售票线程的关键代码：
temp=ticketCount;
pthread_yield();
temp=temp-1;
pthread_yield();
ticketCount=temp;
退票线程的关键代码：
temp=ticketCount;
pthread_yield();
temp=temp+1;
pthread_yield();
ticketCount=temp;
）
售票程序代码：
void *sellticket(){
for(int i = 0;i<sellTimes;i++){
sem_wait(mutex);
int temp = ticketCount;
pthread_yield();
temp–;
pthread_yield();
ticketCount = temp;
sem_post(mutex);
}
}
退票程序代码：
void *returnticket(){
for(int i = 0;i<returnTimes;i++){
sem_wait(mutex);
int temp = ticketCount;
pthread_yield();
temp++;
pthread_yield();
ticketCount = temp;
sem_post(mutex);
}
}
在代码中增加一些 pthread_yield()，放弃 CPU，并强制线程频繁切换，使程序更容
易发生并发错误。
未加同步机制时：
可见程序经常会出现错误。
加入一个互斥信号量，作为同步机制。
加入同步机制后：
此时的票数统计无误。
3）一个生产者一个消费者线程同步。设置一个线程共享的缓冲区， char buf[10]。一个线程不断从键盘输入字符到buf,一个线程不断的把buf的内容输出到显示器。要求输出的和输入的字符和顺序完全一致。（在输出线程中，每次输出睡眠一秒钟，然后以不同的速度输入测试输出是否正确）。要求多次测试添加同步机制前后的实验效果。
源代码：
运行结果：
可以看到在text文件中写入，而读出终端中显示读出了text文件的数据。
问题及解决方案：
出现问题：
1）读出奇怪的符号
2）重复读文本中的前几个数据
即在文件中已经写入了后面的字符，但读出的数据却总是前几个字符。
思考：
我考虑了各种情况，想到进程运行在内存当中，但文件的读写是向外存读写，内存与外存之间存在缓冲区，可能是数据存在缓冲区中。如下图，写缓冲区写满后，则向文件中写入，所以文件中可以写入后面的字符，而内存程序不停地访问读缓冲区的数据，读缓冲区中的数据又不会被更新，所以导致重复读文本的前几个数据。
1）读出奇怪的符号：
程序运行开始时，新建一个txt文件，此时内存还没有向外存中写入数据，也就是读写之间存在一个时间差，导致内存无法从读缓冲区中读取有效数据，从而显示读出奇怪的符号。
2）重复读文本中的前几个数据：
在程序将数据写入外存后，读缓冲区从外存中取出前几个数据，内存从读缓冲区中不停地取数据，则只能一直读到缓冲区中的数据，无法读到后续数据。
解决方案：
通过思考得知，只要强制缓冲区清空，或者取消缓冲区，使内存直接从外存中读写数据，则可以解决上述问题。
1）强制清空缓冲区
每读一个数据则强制清空缓冲区：
每写一个数据则强制清空缓冲区：
2）取消缓冲区
4）（下面两个题目，选做一个）
（1）在Pinto操作系统中，增加一个系统调用，系统调用名为test_system_call()。无输入参数，输出为在显示器中打印输出：Hello. This is my test system call.
（2）进程通信问题。阅读并运行共享内存、管道、消息队列三种机制的代码
（参见
https://www.cnblogs.com/Jimmy1988/p/7706980.html
https://www.cnblogs.com/Jimmy1988/p/7699351.html
https://www.cnblogs.com/Jimmy1988/p/7553069.html ）
实验测试a）通过实验测试，验证共享内存的代码中，receiver能否正确读出sender发送的字符串？如果把其中互斥的代码删除，观察实验结果有何不同？如果在发送和接收进程中打印输出共享内存地址，他们是否相同，为什么？b)有名管道和无名管道通信系统调用是否已经实现了同步机制？通过实验验证，发送者和接收者如何同步的。比如，在什么情况下，发送者会阻塞，什么情况下，接收者会阻塞？c）消息通信系统调用是否已经实现了同步机制？通过实验验证，发送者和接收者如何同步的。比如，在什么情况下，发送者会阻塞，什么情况下，接收者会阻塞？
5）阅读Pintos操作系统，找到并阅读进程上下文切换的代码，说明实现的保存和恢复的上下文内容以及进程切换的工作流程。
5.1 thread.h源码阅读
从git上下载pintos的源码： git clone https://github.com/laiy/Pintos/tree/master/src
进程的实验先进入到thread.h中寻找，可以看到这是对于一个进程的四个状态的定义，还有优先级的定义。
/* States in a thread’s life cycle. /
enum thread_status
{
THREAD_RUNNING, / Running thread. /
THREAD_READY, / Not running but ready to run. /
THREAD_BLOCKED, / Waiting for an event to trigger. /
THREAD_DYING / About to be destroyed. /
};
/ Thread identifier type.
You can redefine this to whatever type you like. /
typedef int tid_t;
#define TID_ERROR ((tid_t) -1) / Error value for tid_t. */
/* Thread priorities. /
#define PRI_MIN 0 / Lowest priority. /
#define PRI_DEFAULT 31 / Default priority. /
#define PRI_MAX 63 / Highest priority. */
再往下看我们可以看到对于进程这个结构体的定义
tid_t tid：线程的线程标识符。每个线程必须具有在内核的整个生命周期内唯一的tid。默认情况下，tid_t是int的typedef（在上面定义过了），每个新线程接收数字上的下一个更高的tid，从初始进程的1开始。
enum thread_status：线程的状态，一共有以下四种：
THREAD_RUNNING：线程在给定时间内正在运行。
THREAD_READY：该线程已准备好运行，但它现在没有运行。
THREAD_BLOCKED：线程正在等待某些事务，
THREAD_DYING：切换到下一个线程后，调度程序将销毁该线程。
char name[16]：线程命名的字符串，至少前几个数组单元为字符。
uint8_t *stack：线程的栈指针。当线程运行时，CPU的堆栈指针寄存器跟踪堆栈的顶部，并且该成员未使用。但是当CPU切换到另一个线程时，该成员保存线程的堆栈指针。保存线程的寄存器不需要其他成员，因为必须保存的其他寄存器保存在堆栈中。
int priority：线程优先级，范围从PRI_MIN（0）到PRI_MAX（63）。较低的数字对应较低的优先级，因此优先级0是最低优先级，优先级63是最高优先级。
struct list_elem allelem：用于将线程链接到所有线程的列表中。每个线程在创建时都会插入到此列表中，并在退出时删除。应该使用thread_foreach（）函数来迭代所有线程。
struct list_elem elem：用于将线程放入双向链表：ready_list（准备好运行的线程列表）或sema_down（等待信号量的线程列表）。上面定义过了，default 31。
uint32_t pagedir：页表指针，用于将进程结构的虚拟地址映射到物理地址。
unsigned magic：始终设置为THREAD_MAGIC，用于检测堆栈溢出。
GitHub代码连接：https://github.com/KTlc/OS-bjtulab/blob/master/1.c