山西大学操作系统实验：进程同步案例与信号量应用

在本次操作系统实验报告中，主要关注的是进程同步的概念和实践应用，通过使用C++编程语言和特定库如`std::mutex`、`std::condition_variable`和`std::queue`来解决五个经典进程同步问题。实验目的是深入理解进程同步和互斥的基本原理，以及信号量机制中的Wait(s)和Signal(s)操作。 1. **进程同步原理**： - 进程同步是操作系统中处理多个并发进程之间依赖关系的重要手段，确保资源的有效利用和避免数据竞争。它涉及到多个进程之间的协作，使它们在合适的时机执行，确保系统稳定运行。 2. **信号量机制**： - 信号量是一种同步工具，通过Wait(s)操作（减去信号量值）等待资源可用，当信号量值为正时继续执行；Signal(s)操作（增加信号量值）用于释放资源，唤醒可能等待的进程。这里的Wait和Signal操作对于解决同步问题至关重要。 3. **实验内容与问题解析**： - **生产者-消费者问题**：涉及一个共享缓冲池，生产者负责生产产品放入缓冲区，消费者负责消费。通过互斥锁和条件变量保证只有一个进程能访问缓冲区，防止数据溢出或饿死。 - **哲学家进餐问题**：模拟五位哲学家共享餐具的场景，使用信号量控制筷子的分配和释放，确保每个哲学家在获得所有筷子后才能吃饭和思考。 - **读者-写者问题**：限制同一时间只有一个写者可以写入数据，多个读者可以同时读取，通过信号量控制读写权限。 - **吃水果问题**：父母放置水果，孩子取食，使用wait和signal控制水果的供给和消耗，确保一次只能有一人取水果。 - **售票问题**：司机和售票员的活动相互依赖，使用信号量协调公共汽车的启动、停车和开关门操作。 4. **代码实现要点**： - 使用`std::mutex`保证临界区的互斥访问，防止数据竞争。 - `std::condition_variable`用于进程间的同步，当满足某个条件时唤醒等待的进程。 - 通过`wait`和`signal`操作调整信号量的值，确保进程按预期执行。 整个实验不仅锻炼了对进程同步理论的理解，还提升了编程技能，将理论知识应用于实际问题的解决中。通过这些实践，学生能够更好地掌握操作系统中关键的同步机制，提升对并发环境下的程序设计和调试能力。