题目3-读者与写者问题

实验3 读者/写者问题与进程同步

3.1 实验目的

理解临界区和进程互斥的概念，掌握用信号量和PV操作实现进程互斥的方法。

3.2 实验要求

在linux环境下编写一个控制台应用程序，该程序运行时能创建N个线程，其中既有读者线程又有写者线程，它们按照事先设计好的测试数据进行读写操作。请用信号量和PV操作实现读者/写者问题。

读者/写者问题的描述如下：

有一个被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，甚至可以是一组处理器寄存器。有一些只读取这个数据区的进程（reader）和一些只往数据区中写数据的进程（writer）。以下假设共享数据区是文件。这些读者和写者对数据区的操作必须满足以下条件：读—读允许；读—写互斥；写—写互斥。这些条件具体来说就是：（1）任意多的读进程可以同时读这个文件；

（2）一次只允许一个写进程往文件中写；

（3）如果一个写进程正在往文件中写，禁止任何读进程或写进程访问文件；

（4）写进程执行写操作前，应让已有的写者或读者全部退出。这说明当有读者在读文件时不允许写者写文件。

对于读者-写者问题，有三种解决方法：

1、读者优先

除了上述四个规则外，还增加读者优先的规定，当有读者在读文件时，对随后到达的读者和写者，要首先满足读者，阻塞写者。这说明只要有一个读者活跃，那么随后而来的读者都将被允许访问文件，从而导致写者长时间等待，甚至有可能出现写者被饿死的情况。

2、写者优先

除了上述四个规则外，还增加写者优先的规定，即当有读者和写者同时等待时，首先满足写者。当一个写者声明想写文件时，不允许新的读者再访问文件。

3、无优先

除了上述四个规则外，不再规定读写的优先权，谁先等待谁就先使用文件。

3.3算法分析

3.3.1读者优先

对于相继到达的一批读者，并不是每个读者都需要执行P(r_w_w)和V(r_w_w)。在这批读者中，只有最先到达的读者才需要执行P(r_w_w)，与写者竞争对文件的访问权，若执行P(r_w_w)成功则获得了文件的访问权，其他的读者可直接访问文件；同理，只有最后退出临界区的读者需要执行V(r_w_w)来归还文件访问权。

为了记录正在读文件的一批读者的数量，需要设置一个整型变量readercount，每一个读者到达时都要将readercount加1，退出时都要将readercount减1。

由于只要有一个读者在读文件，便不允许写者写文件，所以，仅当readercount=0时，即尚无读者在读文件时，读者才需要执行P(r_w_w)操作。若P(r_w_w)操作成功，读者便可去读文件，相应地，readercount+1。同理，仅当在执行了readercount减1操作后其值为0时，才需要执行V(r_w_w)操作，以便让写者写文件。又因为readercount是一个可被多个读者访问的临界资源，所以应该为它设置一个互斥信号量readercount_mutex.。每个读者在访

问readercount 之前执行P(readercount_mutex)，之后执行V(readercount_mutex)。

通过上述分析得到图3-2所示的算法描述，其中的数字表示语句对应的行号。

下面对该算法的调度效果进行分析。

假设最初没有进程在访问文件。过了一会，就会有很多读者和写者到达。对它们可能有两种调度情形。

情形1 最先调度写者

写者执行P(r_w_w)操作成功，将r_w_w 的值变为0，获得文件的访问权；其它的写者执行P(r_w_w)将r_w_w 的值变为负数，从而阻塞在信号量r_w_w 上；第一个读者执行P(readercount_mutex)成功，将信号量readercount_mutex 的值变为0，然后判断readercount 是0，所以执行P(r_w_w)，将r_w_w 的值减1后仍然为负数从而阻塞在信号量r_w_w 上，其它的读者执行P(readercount_mutex)将信号量readercount_mutex 的值变为负数，从而阻塞在信号量readercount_mutex 上。

例如，对于请求序列w1,w2,r1,w3,r2,r3，我们用图表形象地刻画进程的活动，图表中包括读者计数器的值、信号量readercount_mutex 和r_w_w 的值和队列以及访问文件的进程。

①初始状态。没有进程使用文件，计数器readercount 的值是0，信号量readercount_mutex 和r_w_w 的值都是1，队列都是空，参见图3-3；

②w1请求写文件，所以执行语句17，将信号量r_w_w 的值减1后变成0，w1获得文件使用权，执行语句18，开始写文件，参见图3-4；

③在w1尚未写完时，w2提出写请求，所以执行语句17，将信号量r_w_w 的值减1后变成负1，w2被阻塞在信号量r_w_w 上，参见图3-5；

④同时r1提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex 的值减1后变成0，接着执行语句6，判断readercount 的值是0，所以执行P(r_w_w)，将信号量r_w_w 的值减1后变成-2，r1被阻塞在信号量r_w_w 上，参见图3-6；

⑤同时w3提出写请求，所以执行语句17，将信号量r_w_w 的值减1后变成-3，w3被阻塞在信号量r_w_w 上，参见图3-7；

⑥同时r2提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex 的值减1后变成-1，r2被阻塞在信号量readercount_mutex 上，参见图3-8；

⑦同时r3提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex 的值减1后变成-2，r3被阻塞在信号量readercount_mutex 上，参见图3-9；

⑧w1写完文件，执行语句19，将信号量r_w_w 的值加1后变成-2，并唤醒w2，w2接着执行语句18，开始写文件，参见图3-10；

⑨w2写完文件，执行语句19，将信号量r_w_w 的值加1后变成-1，并唤醒r1，r1接着执行语句7，将readercount 的值加1后变成1，执行语句8，将信号量readercount_mutex 的值加1后变成-1，并唤醒r2，r1执行语句9，开始读文件；被唤醒的r2执行语句6，判断