lab1 report

.gitignore

@@ -0,0 +1 @@
+**/.DS_Store

.vscode/settings.json

@@ -56,5 +56,6 @@
         "csignal": "cpp",
         "sstream": "cpp",
         "fstream": "cpp"
-    }
+    },
+    "C_Cpp.default.compilerPath": "/usr/bin/clang++"
 }

lab1/banker.cpp

@@ -26,10 +26,16 @@ struct Customer {
 };
 
 std::atomic<bool> 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> 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<std::chrono::steady_clock> 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<std::chrono::steady_clock> 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;
-}
+}
+// END_LST_MAIN

lab1/report/.gitignore

@@ -0,0 +1,4 @@
+*.aux
+*.log
+*.synctex.gz
+*.synctex(busy)

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}