进程同步互斥——读者写者问题

经过几天的尝试与努力，初步实现了操作系统实验设计三个题目中最简单的一个：编程模拟进程的同步与互斥。真是煞费苦心。没有可视化的操作界面，完全用C/C++来进行模拟，着实难受。

在自己对同步互斥的理解的基础上，借鉴别人的一些实现方法，终于将代码初步敲打出来。代码不多，却也复杂。下面简单对程序做下介绍。

（一）实验目的

进一步理解 “临界资源” 的概念；

把握在多个进程并发执行过程中对临界资源访问时的必要约束条件；

理解操作系统原理中 “互斥” 和 “同步” 的涵义。

（二）实验内容

利用程序设计语言编程，模拟并发执行进程的同步与互斥（要求：进程数目不少于 3 个）。

（三）、程序分析

读者写者问题的定义如下：有一个许多进程共享的数据区，这个数据区可以是一个文件或者主存的一块空间；有一些只读取这个数据区的进程（Reader）和一些只往数据区写数据的进程(Writer)，此外还需要满足以下条件：

（1） 任意多个读进程可以同时读这个文件；

（2） 一次只有一个写进程可以往文件中写；

（3） 如果一个写进程正在进行操作，禁止任何读进程度文件。

实验要求用信号量来实现读者写者问题的调度算法。实验提供了signal类，该类通过P( )、V( )两个方法实现了P、V原语的功能。实验的任务是修改Creat_Writer()添加写者进程，Creat_Reader()创建读者进程。Reader_goon()读者进程运行函数。





Ø

读优先：要求指一个读者试图进行读操作时，如果这时正有其他读者在进行操作，他可直接开始读操作，而不需要等待。

读者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一读者正在进行读操作，则该读者可直接开始读操作。

Ø

写优先：一个读者试图进行读操作时，如果有其他写者在等待进行写操作或正在进行写操作，他要等待该写者完成写操作后才开始读操作。

写者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一写者在等待访问共享资源，则该读者必须等到没有写者处于等待状态后才能开始读操作。

在Windows 2000/XP 环境下，创建一个控制台进程，此进程包含 n 个线程。用这 n 个线程来表示 n 个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件（格式见下）的要求进行读写操作。用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的读者/写者问题。

运行结果显示要求：要求在每个线程创建、发出读写操作申请、开始读写操作和结束读写操作时分别显示一行提示信息，以确定所有处理都遵守相应的读写操作限制。

测试数据文件包括 n 行测试数据，分别描述创建的 n 个线程是读者还是写者，以及读写操作的开始时间和持续时间。每行测试数据包括4个字段，各个字段间用空格分隔。

Ø 第一个字段为一个正整数，表示线程序号

Ø 第二个字段表示相应线程角色，R 表示读者，W 表示写者

Ø 第三个字段为一个正数，表示读/写操作的开始时间：线程创建后，延迟相应时间（单位为秒）后发出对共享资源的读/写请求

Ø 第四个字段为一正数，表示读/写操作的持续时间：线程读写请求成功后，开始对共享资源的读/写操作，该操作持续相应时间后结束，并释放共享资源

例如：

1 R 3 5

2 W 4 5

3 R 5 2

4 R 6 5

5 W 5.1 3

读者写者问题是操作系统中经典的互斥问题：一块数据被多个读者和写者的访问，需要考虑读写互斥、写写互斥（可以同时由多个读者读取）。具体的又可以分为读者优先和写者优先两类。

读者优先算法：

当新的读者到来的时候，若当前正有读者在进行读操作，则该读者无需等待前面的写操作完成，直接进行读操作。

设置两个互斥信号量：

rwmutex 用于写者与其他读者/写者互斥的访问共享数据

rmutex 用于读者互斥的访问读者计数器readcount

var rwmutex, rmutex ： semaphore := 1,1 ；

int readcount = 0;

cobegin

readeri begin // i=1,2,….

P(rmutex);

Readcount++;

If (readcount == 1) P(rwmutex);

V(rmutex);

读数据；

P(rmutex);

Readcount--;

If (readcount == 0) V(rwmutex);

V(rmutex);

End

Writerj begin // j = 1,2,….

P(rwmutex);

写更新；

V(rwmutex);

End

Coend

写者优先：

条件：

1）多个读者可以同时进行读

2）写者必须互斥（只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行）

3）写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）

设置三个互斥信号量：

rwmutex 用于写者与其他读者/写者互斥的访问共享数据

rmutex 用于读者互斥的访问读者计数器readcount

nrmutex 用于写者等待已进入读者退出，所有读者退出前互斥写操作

var rwmutex, rmutex，nrmutex ： semaphore := 1，1，1 ；

int readcount = 0;

cobegin

readeri begin // i=1,2,….

P(rwmutex);

P(rmutex);

Readcount++;

If (readcount == 1) P(nrmutex); //有读者进入，互斥写操作

V(rmutex);

V(rwmutex); // 及时释放读写互斥信号量，允许其它读、写进程申请资源

读数据；

P(rmutex);

Readcount--;

If (readcount == 0) V(nrmutex); //所有读者退出，允许写更新

V(rmutex);

End

Writerj begin // j = 1,2,….

P(rwmutex); // 互斥后续其它读者、写者

P(nrmutex); //如有读者正在读，等待所有读者读完

写更新；

V(nrmutex); //允许后续新的第一个读者进入后互斥写操作

V(rwmutex); //允许后续新读者及其它写者

End

Coend

基本思想

/*---------函数声明---------*/
void Creat_Writer();    //添加一个写者
void Del_Writer();     //删除一个写者
void Creat_Reader();    //添加一个读者
void Reader_goon();     //读者进程运行函数
void R_Wakeup();     //唤醒等待读者
void Del_Reader();     //删除一个读者
void Show();     //显示运行状态
/*===============   class   signal   ===============*/
class signal //信号量对象.
{
private:
int value;
int queue;     //用int型数据模拟等待队列.
public:
signal();
signal(int n);
int P(); //检查临界资源
int V(); //释放临界资源
int Get_Value();
int Get_Queue();
};
////////////////////////////////////////////////////////////////////

[C/C++]代码

#include<windows.h>
#include<fstream>
#include<cstdlib>
#include<iostream>
using namespace std;

const int MaxThread=20;

struct ThreadInfo
{
int num;
char type;
double start;
double time;
}thread_info[MaxThread];

HANDLE hX;
HANDLE hWsem;
HANDLE thread[MaxThread];
int readcount;
double totaltime;

void WRITEUNIT(int iProcess)
{
printf("Thread %d begins to write.\n",iProcess);
Sleep((DWORD)(thread_info[iProcess-1].time*1000));
printf("End of thread %d  for writing.\n",iProcess);

}

void READUNIT(int iProcess)
{
printf("Thread %d begins to read.\n",iProcess);
Sleep((DWORD)(thread_info[iProcess-1].time*1000));
printf("End of thread %d  for reading.\n",iProcess);
}

DWORD   WINAPI   reader(LPVOID   lpVoid)
{
int iProcess   =   *(int*)lpVoid;
Sleep((DWORD)(thread_info[iProcess-1].start*1000));
DWORD wait_for=WaitForSingleObject(hX,INFINITE);
printf("Thread %d requres reading.\n",iProcess);
readcount++;
if(readcount==1)WaitForSingleObject(hWsem,INFINITE);
ReleaseMutex(hX);
READUNIT(iProcess);
wait_for=WaitForSingleObject(hX,INFINITE);
readcount--;
if(readcount==0)
ReleaseSemaphore(hWsem,1,0);
ReleaseMutex(hX);
return iProcess;
}

DWORD   WINAPI   writer(LPVOID   lpVoid)
{
int iProcess   =   *(int*)lpVoid;
Sleep((DWORD)(thread_info[iProcess-1].start*1000));
printf("Thread %d requres writing.\n",iProcess);
DWORD wait_for=WaitForSingleObject(hWsem,INFINITE);
WRITEUNIT(iProcess);
ReleaseSemaphore(hWsem,1,0);
return iProcess;
}

int main()
{
int threadNum;
int threadcount;
ifstream file;

hX=CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
hWsem=CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL);

//???????????????????
readcount=0;
threadcount=0;
totaltime=0;
file.open("thread.dat",ios::in);
if(file==0)
{
printf("File Open Error.\n");
return 0;
}
while(file>>threadNum)
{
thread_info[threadNum-1].num=threadNum;
file>>thread_info[threadNum-1].type;
file>>thread_info[threadNum-1].start;
file>>thread_info[threadNum-1].time;
totaltime+=thread_info[threadNum-1].time;
switch(thread_info[threadNum-1].type)
{
case 'W':
printf("Creating Thread %d  for writing.\n",thread_info[threadNum-1].num);
thread[threadNum-1]   =   CreateThread(NULL,   0,writer,   &thread_info[threadNum-1].num,0,0);
break;
case 'R':
printf("Creating Thread %d  for reading.\n",thread_info[threadNum-1].num);
thread[threadNum-1]   =   CreateThread(NULL,   0,reader,   &thread_info[threadNum-1].num,0,0);
break;
}
threadcount++;
}
file.close();

Sleep((DWORD)(totaltime*1000));
return 1;
}

较常见的写法

semaphore fmutex = 1 , rdcntmutex = 1 ;
// fmutex --> access to file; rdcntmutex --> access to readcount
int readcount = 0 ;
void reader()
{
while ( 1 )
{
P(rdcntmutex);
if ( readcount==0)
P(fmutex);
readcount = readcount + 1 ;
V(rdcntmutex);
// Do read operation
P(rdcntmutex);
readcount = readcount - 1 ;
if ( readcount==0)
V(fmutex);
V(rdcntmutex);
}
}
void writer()
{
while ( 1 )
{
P(fmutex);
// Do write operation
V(fmutex);
}
}

高手写法

semaphore fmutex = 1 , rdcntmutex = 1 , wtcntmutex = 1 , queue = 1 ;
// fmutex --> access to file; rdcntmutex --> access to readcount
// wtcntmutex --> access to writecount
int readcount = 0 ,writecount = 0 ;
void reader()
{
while ( 1 )
{
P(queue);//申请队列信号
P(rdcntmutex);//修改readcount，互斥
if ( readcount==0)
P(fmutex);//access to file 互斥
readcount = readcount + 1 ;
V(rdcntmutex);//释放
V(queue);//释放
// Do read operation
P(rdcntmutex);
readcount = readcount - 1 ;
if ( readcount==0)
V(fmutex);
V(rdcntmutex);
}
}
void writer()
{
while ( 1 )
{
P(wtcntmutex);
if ( writecount==0)
P(queue);
writecount = writecount + 1 ;
V(wtcntmutex);
P(fmutex);
// Do write operation
V(fmutex);
P(wtcntmutex);
writecount = writecount - 1 ;
if ( writecount==0)
V(queue);
V(wtcntmutex);
}
}

（原文链接：http://www.oschina.net/code/snippet_180916_7505）