实验3读者写者问题与进程同步.docx

1、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（

2、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

3、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semaphore r_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

4、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

5、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readercoun

6、t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01 semaphore r_w_w=1;02 semaphore readercount_mutex=1;03 int readercount=0; 04 reader()05 P(readercount_mutex);06 if(readercount=0) P(

7、r_w_w);07 readercount+;08 V(readercount_mutex);09 读文件;10 P(readercount_mutex);11 readercount-;12 if(readercount=0) V(r_w_w);13 V(readercount_mutex);14 1516 writer()17 P(r_w_w);18 写文件;19 V(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

8、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

9、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。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；w1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；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；同时r1提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex的值

10、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；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；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；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readercou

11、nt_mutex上，参见图3-9；w1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；w2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

12、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；当r1、r2和r3读完文件时，都执行语句1014，并由最后一个执行语句1014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，

13、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_

14、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

15、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

16、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

17、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(writercoun

18、t_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

19、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

20、，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。

21、图3-13 写者优先算法01 semaphore r_w_w=1;02 semaphore reader_wait=1;03 semaphore first_reader_wait=1;04 semaphore readercount_mutex=1;05 semaphore writercount_mutex=1;06 int writercount=0;07 int readercount=0; 08 reader()09 P(reader_wait);10 P(first_reader_wait);11 P(readercount_mutex);12 if(readercount=0)

22、P(r_w_w);13 readercount+;14 V(readercount_mutex);15 V(reader_wait);16 V(first_reader_wait);17 读文件;18 P(readercount_mutex);19 readercount-;20 if(readercount=0) V(r_w_w);21 V(readercount_mutex);22 23 writer()24 P(writercount_mutex);25 if(writercount=0) P(first_reader_wait);26 writercount+;27 V(writerc

23、ount_mutex);28 P(r_w_w);29 写文件;30 V(r_w_w);31 P(writercount_mutex);32 writercount-;33 if(writercount=0) V(first_reader_wait);34 V(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readercoun

24、t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

25、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

26、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01 semaphore r_w_w=1;02 semaphore wait=1;03 semaphore readercount_mutex=1;04 int readercount=0; 05 reader()06 P(wait);07 P(readercount_mutex);08 if(readercount=0) P(r_w_w);09 rea

27、dercount+;10 V(readercount_mutex);11 V(wait);12 读文件;13 P(readercount_mutex);14 readercount-;15 if(readercount=0) V(r_w_w);16 V(readercount_mutex);17 18 writer()19 P(wait);20 P(r_w_w);21 写文件;22 V(r_w_w);23 V(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

28、，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

29、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

30、_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r1015r2115w133r342w256w3610r478r592w41018w5122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r1r5，另外5个是写者线程w1w5。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

31、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