diff --git a/.gitignore b/.gitignore new file mode 100644 index 0000000..6a3e68d --- /dev/null +++ b/.gitignore @@ -0,0 +1 @@ +**/.DS_Store \ No newline at end of file diff --git a/.vscode/settings.json b/.vscode/settings.json index 42656c5..d9aae3b 100644 --- a/.vscode/settings.json +++ b/.vscode/settings.json @@ -56,5 +56,6 @@ "csignal": "cpp", "sstream": "cpp", "fstream": "cpp" - } + }, + "C_Cpp.default.compilerPath": "/usr/bin/clang++" } \ No newline at end of file diff --git a/lab1/banker.cpp b/lab1/banker.cpp index da7d819..aea9450 100644 --- a/lab1/banker.cpp +++ b/lab1/banker.cpp @@ -26,10 +26,16 @@ struct Customer { }; std::atomic bank_open{false}; -std::mutex customer_q_mtx; -std::counting_semaphore<100> customer_num_sem{0}; +// BEGIN_LST_CUS_Q +std::mutex customer_q_mtx; std::deque customer_q; +// END_LST_CUS_Q + +// BEGIN_LST_COUNT_SEM +std::counting_semaphore<100> customer_num_sem{0}; +// END_LST_COUNT_SEM + void signal_handler(int signum) { // std::cout << "\nReceived signal " << signum << ", stopping...\n"; @@ -37,6 +43,7 @@ void signal_handler(int signum) { bank_open = false; } +// BEGIN_LST_TELLER void teller_thread( int id, std::chrono::time_point start_tick) { std::osyncstream(std::cout) @@ -90,7 +97,9 @@ void teller_thread( std::osyncstream(std::cout) << "Teller id " << id << " closing" << std::endl; } +// END_LST_TELLER +// BEGIN_LST_CUSTOMER void customer_thread( CustomerInfo info, std::chrono::time_point start_tick) { @@ -117,7 +126,9 @@ void customer_thread( } customer_num_sem.release(); } +// END_LST_CUSTOMER +// BEGIN_LST_MAIN int main(int argc, char *argv[]) { if (argc != 2) { std::cout << "Invalid commandline arg, expected filename"; @@ -189,4 +200,5 @@ int main(int argc, char *argv[]) { } return 0; -} \ No newline at end of file +} +// END_LST_MAIN \ No newline at end of file diff --git a/lab1/report.pdf b/lab1/report.pdf new file mode 100644 index 0000000..fa9ebbf Binary files /dev/null and b/lab1/report.pdf differ diff --git a/lab1/report/.gitignore b/lab1/report/.gitignore new file mode 100644 index 0000000..579d7de --- /dev/null +++ b/lab1/report/.gitignore @@ -0,0 +1,4 @@ +*.aux +*.log +*.synctex.gz +*.synctex(busy) \ No newline at end of file diff --git a/lab1/report/report.pdf b/lab1/report/report.pdf new file mode 100644 index 0000000..fa9ebbf Binary files /dev/null and b/lab1/report/report.pdf differ diff --git a/lab1/report/report.tex b/lab1/report/report.tex new file mode 100644 index 0000000..d5caba8 --- /dev/null +++ b/lab1/report/report.tex @@ -0,0 +1,174 @@ +\documentclass[12pt, a4paper]{article} +\usepackage[UTF8]{ctex} +\usepackage{geometry} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amsthm} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{enumitem} +\usepackage{float} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{extarrows} +\usepackage{booktabs} +\usepackage{diagbox} +\usepackage{siunitx} +\usepackage{subcaption} +\usepackage{fontspec} +\usepackage{listings} +\usepackage{xcolor} +\usepackage{siunitx} +\usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e} + +\sisetup{ + group-separator={,}, +} + +\definecolor{vscodeBlue}{RGB}{0,0,255} % 关键字/语句 +\definecolor{vscodeRed}{RGB}{163,21,21} % 字符串 +\definecolor{vscodeGreen}{RGB}{0,128,0} % 注释 + +\newfontfamily\codefont{Fira Code} +\lstset{ + basicstyle = \footnotesize\codefont, + % --- + tabsize = 4, + showstringspaces = false, + numbers = left, + numberstyle = \codefont, + % --- + breaklines = true, + captionpos = t, + % --- + frame = l, + flexiblecolumns, + commentstyle=\color{vscodeGreen}, % 注释样式 + keywordstyle=\color{vscodeBlue}, % 关键字样式 + stringstyle=\color{vscodeRed}, % 字符串样式 + rangebeginprefix = //\ BEGIN_LST_, + rangeendprefix = //\ END_LST_ +} + +\renewcommand{\qedsymbol}{} + +\lstMakeShortInline| + +\geometry{a4paper,scale=0.8} + +\allowdisplaybreaks[4] %允许公式跨页 + +\setenumerate[1]{label=\arabic{*}. } +\setenumerate[2]{label=(\arabic{*})} + +\title{\Huge{{\bf 操作系统大作业实验1报告}}} +\author{高艺轩 2022010639} +\date{} + +\begin{document} +\maketitle +\section{实验目的} +\begin{enumerate} + \item 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； + \item 对Windows或Linux涉及的几种互斥、同步机制有更进一步的了解； + \item 熟悉Windows或Linux中定义的与互斥、同步有关的函数。 +\end{enumerate} + +\section{实验题目} +本次实验选择的题目是“银行柜员服务问题”。 + +\section{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。 + +\section{思路与程序结构} +这个问题的场景实际上就是一个典型的生产者-消费者问题。把顾客看作资源，柜员看作消费者，那么顾客在不停地到来就是生产者生产的过程，柜员服务即为消费者。因此所要竞争的主要内容即为“正在等待的顾客”，由柜员对顾客数执行P，由到来的顾客对顾客数执行V；另外，为了存储正在等待的顾客，用于在顾客线程和柜员线程中交换对应的顾客信息，需要维护一个队列以及对应的互斥锁，在访问前使用P原语锁定，访问结束后使用V原语释放。 + +为了便于观察现象和验证程序运行，本次实验中我将时间刻间隔设置为\SI{200}{ms}。 + +具体来讲，在全局设置代表待服务的顾客数量的信号量： +\lstinputlisting[language=c++, linerange=COUNT_SEM]{../banker.cpp} +同时设置一个正在等待服务的客户队列，并用一个互斥锁保护它： +\lstinputlisting[language=c++, linerange=CUS_Q]{../banker.cpp} + +在设置好全局变量后，分别实现柜员和顾客。对于柜员，每到一个时间刻，如果正在服务的客户还没有服务完，那么就继续服务；如果处于空闲状态，则尝试执行|P(customer_num_sem)|获得一个新的客户。如果能获得客户，则进一步锁定客户队列，取出队头进行服务，再解锁客户队列。伪代码如下： +\begin{algorithm}[htbp] + \caption{Server Procedure} + \SetKwFunction{FMain}{Teller} + \SetKwProg{Fn}{Function}{:}{} + \Fn{\FMain{}}{ + \While{true}{ + P(customers\_num\_sem)\; + + P(mutex)\; + customer\_number $\leftarrow$ dequeue(customer\_queue)\; + V(mutex)\; + + serve(customer\_number)\; + } + } +\end{algorithm} + +实际实现的代码： +\lstinputlisting[language=c++, linerange=TELLER]{../banker.cpp} + +对于客户线程，首先不断等待直到到达设定的进入时间，首先锁定客户队列，将自己加入，同时执行|V(customer_num_sem)|来向柜员线程提示有一个新的客户产生。伪代码如下： +\begin{algorithm}[htbp] + \caption{Customer Procedure} + \SetKwFunction{FMain}{Customer} + \SetKwProg{Fn}{Function}{:}{} + \Fn{\FMain{info}}{ + sleep\_until(arrival\_time)\; + + P(mutex)\; + enqueue(customer\_queue, info)\; + V(mutex)\; + + V(customers\_num\_sem)\; + } +\end{algorithm} + +实际实现的代码： +\lstinputlisting[language=c++, linerange=CUSTOMER]{../banker.cpp} + +在实现了客户与柜员时，|main|函数只需要读取配置文件、创建所有的柜员和客户进程即可： +\lstinputlisting[language=c++, linerange=MAIN]{../banker.cpp} + +\section{程序运行情况} +使用指导书中给出的测试数据和自己编写的测试数据都进行了测试。使用指导书中的输入： +\lstinputlisting{../test_data/1.txt} +得到的输出为 +\lstinputlisting{../test_data/1_out.txt} + +再使用自己编写的测试数据： +\lstinputlisting{../test_data/2.txt} +得到的输出为 +\lstinputlisting{../test_data/2_out.txt} + +可以看到正确实现了客户排队与柜员依次服务。 + +\section{思考题} +\begin{enumerate} + \item 柜员人数和顾客人数对结果分别有什么影响？ + \begin{proof}[答] + 当顾客人数很少时，几乎每时每刻都会有空闲的柜员，因此所有的客户刚到来就能获得服务，很少会有顾客等待，服务的总时间基本上只取决于$(\text{到达时间}+\text{服务时间})$最长的客户服务结束的时间；当柜员人数很少时，几乎时时刻刻所有的柜员都在工作，因此总时间将会取决于$\frac{\text{所有顾客所需要服务的总时间}}{\text{柜员的数量}}$。 + \end{proof} + \item 实现互斥的方法有哪些？各自有什么特点？效率如何？ + \begin{proof}[答] + \begin{enumerate} + \item 将临界区设置禁止中断：简单有效，但是可靠性不高，且不适用于多处理器； + \item 锁变量：出现忙等，效率不高； + \item 严格轮转法：临界区外的进程也会阻塞其它进程，效率不高； + \item Peterson算法：可以正常工作，但是也会出现忙等，效率比较低 + \item 硬件实现：需要硬件支持，可以支持任意数目的进程，但是也可能出现忙等。 + \item 信号量：效率比较高，但是信号量的控制不容易分析。 + \end{enumerate} + \end{proof} +\end{enumerate} + +\section{实验总结} +在本次实验中，我在实践中学习了线程间的同步和互斥，从实践中考虑问题，进一步让我理解了P、V原语工作的核心思路与应用，也在编程过程中学习了一些C++标准库的应用。 + +\appendix +\section{完整源代码} +\lstinputlisting[language=C++]{../banker.cpp} + +\end{document} \ No newline at end of file