实验3读者写者问题与进程同步.docx
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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（总34页）
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windows或者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。
实验步骤
算法分析
1、错误的解法
图3-1错误的解法
semaphorer_w_w=1;
reader（）{
P（r_w_w）；
读文件；
V（r_w_w）；
}
writer（）{
P（r_w_w）；
写文件；
V（r_w_w）；
}
有同学认为，可以将文件视为临界资源，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。
图3-2读者优先算法
01semaphorer_w_w=1;
02semaphorereadercount_mutex=1;
03intreadercount=0;
04reader（）{
05P（readercount_mutex）;
06if（readercount==0）P（r_w_w）;
07readercount++;
08V（readercount_mutex）;
09读文件;
10P（readercount_mutex）;
11readercount--;
12if（readercount==0）V（r_w_w）;
13V（readercount_mutex）;
14}
15
16writer（）{
17P（r_w_w）;
18写文件;
19V（r_w_w）;
20}
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readercount的值不是0，所以执行语句7，将readercount的值加1后变成2，执行语句8，将信号量readercount_mutex的值加1后变成0，并唤醒r3，r2执行语句9，开始读文件；被唤醒的r3执行语句6，判断readercount的值不是0，所以执行语句7，将readercount的值加1后变成3，执行语句8，将信号量readercount_mutex的值加1后变成1，r3执行语句9，开始读文件。
这样三个读者同时读文件，参见图3-11；
⑩当r1、r2和r3读完文件时，都执行语句10~14，并由最后一个执行语句10~14的读者执行V（r_w_w），将信号量r_w_w的值加1后变成0，并唤醒w3，w3接着执行语句18，开始写文件，参见图3-12；
当w3写完文件时，执行语句19，将信号量r_w_w的值加1后变成1，回到初始状态。
可见，对于请求序列w1,w2,r1,w3,r2,r3，实际访问文件的顺序是w1,w2,r1,r2,r3,w3。
虽然w3比r2、r3先提出请求，但是由于在此之前已经有r1在读文件，所以优先响应读者r2、r3，阻塞写者w3。
如果在w3之后不断有新的读者到达，则w3将一直被阻塞，直至被饿死。
情形2最先调度读者
第一个读者执行P（readercount_mutex）成功，将信号量readercount_mutex的值变为0，接着该读者判断readercount是0，所以执行P（r_w_w）操作成功，获得文件的访问权，将r_w_w的值变为0，然后将readercount变成1，执行V（readercount_mutex），之后开始读文件；随后的写者执行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；其它的读者执行P（readercount_mutex）成功，判断readercount不是0，所以直接将readercount的值再加1，执行V（readercount_mutex），之后开始读文件。
可见多个读者可以同时读文件，并在读文件时阻塞写者。
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。
通过上述分析得到图3-13的算法描述。
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（writercount_mutex），将writercount_mutex的值变为0，并判断writercount是0，从而执行P（first_reader_wait），将first_reader_wait的值变为0，成功地向读者声明了写访问意图，接着将writercount变为1，执行V（writercount_mutex），将writercount_mutex的值变为1。
然后写者执行P（r_w_w）操作，将r_w_w的值变为0，成功地获得了文件的写访问权利。
第一个写者开始写文件；
其它的写者执行P（writercount_mutex），判断writercount不是0，所以直接将writercount加1，执行V（writercount_mutex），然后执行P（r_w_w）操作，将r_w_w的值变为负数，写者依次被阻塞在信号量r_w_w上；
第一个读者执行P（reader_wait），将reader_wait的值变为0，接着执行P（first_reader_wait），将first_reader_wait的值变为负1，阻塞在信号量first_reader_wait上；其它读者执行P（reader_wait），将reader_wait的值变为负数，依次阻塞在reader_wait上。
当第一个写者写完文件后，执行V（r_w_w），唤醒一个写者并将写者计数器writercount减1，被唤醒的写者可以写文件，写完后执行V（r_w_w），唤醒下一个写者并将写者计数器writercount减1，直到最后一个写者将writercount减为0，才执行V（first_reader_wait）唤醒第一个阻塞的读者。
被唤醒的读者执行P（readercount_mutex），然后判断readercount是0，从而执行P（r_w_w），由于最后一个写者写完文件后，r_w_w的值已经还原为1，所以被唤醒的读者执行P（r_w_w）成功，将r_w_w的值变为0，获得文件的读访问权。
接着将readercount的值加到1，执行V（readercount_mutex），再执行V（reader_wait），唤醒第二个等待的读者，第一个读者执行V（first_reader_wait），将first_reader_wait的值还原到1。
第一个读者可以读文件了。
若没有新的写者到达，则第二个读者执行P（first_reader_wait）成功，执行P（readercount_mutex）并判断readercount不是0，将readercount加到2，执行V（readercount_mutex），再执行V（reader_wait）唤醒第三个读者，再执行V（first_reader_wait），第二个读者也可以读文件了。
图3-13写者优先算法
01semaphorer_w_w=1;
02semaphorereader_wait=1;
03semaphorefirst_reader_wait=1;
04semaphorereadercount_mutex=1;
05semaphorewritercount_mutex=1;
06intwritercount=0;
07intreadercount=0;
08reader（）{
09P（reader_wait）;
10P（first_reader_wait）;
11P（readercount_mutex）;
12if（readercount==0）P（r_w_w）;
13readercount++;
14V（readercount_mutex）;
15V（reader_wait）;
16V（first_reader_wait）;
17读文件;
18P（readercount_mutex）;
19readercount--;
20if（readercount==0）V（r_w_w）;
21V（readercount_mutex）;
22}
23writer（）{
24P（writercount_mutex）;
25if（writercount==0）P（first_reader_wait）;
26writercount++;
27V（writercount_mutex）;
28P（r_w_w）;
29写文件;
30V（r_w_w）;
31P（writercount_mutex）;
32writercount--;
33if（writercount==0）V（first_reader_wait）;
34V（writercount_mutex）;
35}
情形2最先调度读者
第一个读者执行P（reader_wait），将reader_wait的值变为0，执行P（first_reader_wait），将first_reader_wait的值变为0，向写者声明有读者要读文件，接着执行P（readercount_mutex），并判断readercount是0所以执行P（r_w_w），将r_w_w的值变为0，成功地获得了文件的读访问权，将读者计数器readercount加到1，执行V（readercount_mutex），V（reader_wait），V（first_reader_wait），将reader_wait和first_reader_wait的值依次还原为1。
之后，第一个读者开始读文件。
若在第一个读者读文件的过程中没有写者到达，则其它读者可以同时读文件；
若在读者读文件时，有写者到达，则第一个到达的写者执行P（writercount_mutex），将writercount_mutex的值变为0，并判断writercount是0，从而执行P（first_reader_wait），将first_reader_wait的值变为0，成功地向读者声明了写访问意图，接着将writercount变为1，执行V（writercount_mutex），将writercount_mutex的值变为1。
然后写者执行P（r_w_w）操作，（由于有读者在读文件，所以）将r_w_w的值变为负1，写者被阻塞在信号量r_w_w上；当在读文件的所有读者都读完文件后，由最后一个退出的读者执行V（r_w_w）唤醒写者。
第一个写者开始写文件。
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3-14所示。
图3-14无优先算法
01semaphorer_w_w=1;
02semaphorewait=1;03semaphorereadercount_mutex=1;
04intreadercount=0;
05reader（）{
06P（wait）;
07P（readercount_mutex）;
08if（readercount==0）P（r_w_w）;
09readercount++;
10V（readercount_mutex）;
11V（wait）;
12读文件;
13P（readercount_mutex）;
14readercount--;
15if（readercount==0）V（r_w_w）;
16V（readercount_mutex）;
17}
18writer（）{
19P（wait）;
20P（r_w_w）;
21写文件;
22V（r_w_w）;
23V（wait）;
24}
下面对该算法的调度效果进行分析。
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（wait）操作成功，将wait的值变为0，再执行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，写者可以写文件了。
其它的写者或者读者执行P（wait）操作，将wait的值变为负数，从而依次阻塞在信号量wait上；
第一个写者写完文件后，执行V（r_w_w），将r_w_w的值还原为1，再执行V（wait）唤醒排在wait队列最前面的一个进程，可能是读者，也可能是写者。
情形2最先调度读者
第一个读者执行P（wait）操作成功，将wait的值变为0，再执行P（readercount_mutex）成功，将信号量readercount_mutex的值变为0，接着该读者判断readercount是0，所以执行P（r_w_w）操作成功，获得文件的访问权，将r_w_w的值变为0，然后将readercount变成1，执行V（readercount_mutex），V（wait），将信号量readercount_mutex和wait的值还原为1，之后开始读文件；
若随后到达的仍然是读者，则这些读者将readercount各加1之后也开始读文件；
若随后到达的是写者，则写者执行P（wait）操作成功，将wait的值变为0，再执行P（r_w_w）操作将r_w_w的值变为负数，从而阻塞在r_w_w上。
这使得在它之后到达的读者和写者相继阻塞在wait上。
当第一批读者读完文件后，由最后一个退出的读者执行执行V（r_w_w），从而唤醒第一个被阻塞的写者。
设计并分析测试数据
图3-15测试数据
线程名称
申请时刻
持续使用时间
"r1"
0
15
"r2"
1
15
"w1"
3
3
"r3"
4
2
"w2"
5
6
"w3"
6
10
"r4"
7
8
"r5"
9
2
"w4"
10
18
"w5"
12
2
为了验证算法的正确性，需要设计测试数据，并对测试数据进行分析，总结出在该组测试数据下，程序应该得到什么结果，然后运行程序，将程序运行结果与分析结果相比较，如果二者一致，则可认为程序是正确的。
作者设计的测试数据如图3-15所示，包括10个线程，其中有5个读者线程r1~r5，另外5个是写者线程w1~w5。
读者线程r1在时刻0提出读请求，如果请求得到允许，r1将用15秒的时间读文件；写者线程w3在时刻6提出写请求，如果请求得到允许，w3将用10秒的时间写文件。
从表中可以看出，10个线程提出请求的次序是：
r1,r2,w1,r3,w2,w3,r4,r5,w4,w5。
下面分析一下测试数据在不同调度算法下的调度次序。
1、读者优先算法
请对照图3-2的读者优先算法和图3-15的测试数据来理解下面的分析。
作者将使用图形来帮助理解，图形中包括所分析的时刻，读者计数器变量readercount的值，信号量r_w_w的值和队列。
为了简化分析，不考虑读者在语句6、7之间和语句11、12之间被中断的情况，所以图形中省略了信号量readercount_mutex。
初始状态
没有线程使用文件，读者计数器的值为0，信号量r_w_w的值为1，没有线程阻塞在r_w_w上。
如图3-16所示。
时刻0
线程r1在0时刻执行语句5，将readercount_mutex的值减1后变成0，执行语句6，判断readercount的值是0，从而执行P（r_w_w）申请使用文件，将r_w_w的值减1后变成0，说
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