实验3__读者-写者问题与进程同步

实验3 读者/写者问题与进程同步

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。

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（或者进程），

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（比

如一个数组或一个变量），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。

实验步骤

3.3.1 算法分析

1、错误的解法

使用临界资源的代码就构成临界区，为了对临

界区进行管理，只需设置一个互斥信号量

r_w_w，读或者写之前执行P(r_w_w)，之后执

行V(r_w_w)即可，从而得到图3-1所示的算法

描述。

该方法虽然能满足读—写互斥和写—写互斥，但是不满足读—读允许，只要有一个读者

在读文件，其他的读者都被阻塞了。

可见，单纯使用互斥信号量不能解决读者/写者问题，还需要引入计数器对读者进行记数。

2、读者优先

如何纠正上述解法中存在的错误呢

其实，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。

3、写者优先

通过增加信号量并修改上述程序可以得到写者优先算法。为了实现写者优先算法，需要将写者和读者分开排队，并且第一个读者和其它读者也要分开排队。这样就需要三个队列，一个是写者排队的地方，另一个是第一个读者排队的地方，第三个是其它读者排队的地方。相应地需要设置三个信号量，r_w_w、first_reader_wait和reader_wait。当一个写者声明想写文件时，可以让新的读者中的第一个到first_reader_wait上排队等待；当有读者阻塞在first_reader_wait上时，让其它读者阻塞在reader_wait上；当有一个写者在写文件时，其它写者到r_w_w上排队。

只要有活跃的写者或者写者队列不为空，则阻塞新到达的读者。为了记录已经发出声明的写者数量，需要设置一个整数writercount，以表示声明要写文件的写者数目。由于只要

有一个写者到达，就不允许读者去读，因此仅当writercount=0，表示无写者声明写时，写者才需要执行P(first_reader_wait)操作，若操作成功，写者便可以执行P(r_w_w)去竞争写文件权利。其它写者不需要再向读者声明，可以直接执行P(r_w_w)去竞争写文件权利。同理仅当写者在执行writercount减1操作后其值为0时，才需要执行V(first_reader_wait)操作，以便唤醒第一个被阻塞的读者去读文件。又因为writercount是一个可被多个写者访问的临界资源，所以，应该为它设置一个互斥信号量writer_mutex。

4、无优先

除了在读者优先时需要的信号量r_w_w和readercount_mutex之外，还需要设置一个信号量wait供读者和写者排队。读者和写者都排在wait队列上。若有读者在读文件，则第一个写者阻塞在r_w_w上，其它的写者和读者阻塞在wait上；若有一个写者在写文件，则其它写者和读者都阻塞在wait上。

无优先的算法描述如图3-3所示。

3.3.2 程序功能及界面设计

该程序采用简单的控制台应用程序界面，在主界面上显示程序的功能。该程序的功能如下：

1.演示读者优先算法；

2.演示写者优先算法；

3.演示无优先算法；

4.退出。

3.3.3 函数设计

实现读者/写者问题的源程序名称是。该程序共包括10个函数。这些函数可以分成4组。