北理工操作系統(tǒng)讀者-寫者問題實驗報告

1、實驗二：讀者寫者問題班級： 學號： 姓名： 實驗二：讀者寫者問題一、實驗目的1. 通過編寫和調試程序以加深對進程、線程管理方案的理解；2. 熟悉Windows多線程程序設計方法；二、實驗要求在Windows環(huán)境下，創(chuàng)建一個控制臺進程，此進程包含n個線程。用這n個線程來表示n個讀者或寫者。每個線程按相應測試數據文件（后面介紹）的要求進行讀寫操作。用信號量機制分別實現讀者優(yōu)先和寫者優(yōu)先問題。讀者-寫者問題的讀寫操作限制（包括讀者優(yōu)先和寫者優(yōu)先）1） 寫-寫互斥：不能有兩個寫者同時進行寫操作2） 讀-寫互斥：不能同時有一個線程在讀，而另一個線程在寫。3） 讀-讀允許：可以有一個或多個讀者在讀。讀者優(yōu)

2、先的附加限制：如果讀者申請進行讀操作時已有另一個讀者正在進行讀操作，則該讀者可直接開始讀操作。運行結果顯示要求：要求在每個線程創(chuàng)建、發(fā)出讀寫申請、開始讀寫操作和結束讀寫操作時分別顯示一行提示信息，以確定所有處理都遵守相應的讀寫操作限制。測試數據文件包括 n行測試數據，分別描述創(chuàng)建的n個線程是讀者還是寫者，以及讀寫操作的開始時間和持續(xù)時間。每行測試數據包括四個字段，每個字段間用空格分隔。第1個字段為正整數，表示線程的序號。第2個字段表示線程的角色，R表示讀者，W表示寫者。第3個字段為一個正數，表示讀寫開始時間：線程創(chuàng)建后，延遲相應時間（單位為秒）后發(fā)出對共享資源的讀寫申請。第4個字段為

3、一個正數，表示讀寫操作的延遲時間。當線程讀寫申請成功后，開始對共享資源進行讀寫操作，該操作持續(xù)相應時間后結束，釋放該資源。下面是一個測試數據文件的例子(在記事本手工錄入數據)：1 R 3 52 W 4 53 R 5 24 R 6 55 W 5.1 3三、實驗環(huán)境硬件設備：個人計算機。系統(tǒng)軟件：windows操作系統(tǒng)，Visual C+6.0編譯環(huán)境。四、實驗原理所謂讀者寫者問題，可以這樣的描述，有一群寫者和一群讀者，寫者在寫同一本書，讀者也在讀這本書，多個讀者可以同時讀這本書，但是，只能有一個寫者在寫書，并且，讀者比寫者優(yōu)先，也就是說，讀者和寫者同時提出請求時，讀者優(yōu)先。當讀者提出請求時需要有

4、一個互斥操作，另外，需要有一個信號量S來當前是否可操作。信號量機制是支持多道程序的并發(fā)操作系統(tǒng)設計中解決資源共享時進程間的同步與互斥的重要機制，而讀者寫者則是這一機制的一個經典范例。與記錄型信號量解決讀者寫者問題不同，信號量機制它增加了一個限制，即最多允許RN個讀者同時讀。為此，又引入了一個信號量L,并賦予初值為RN，通過執(zhí)行wait（L,1,1）操作，來控制讀者的數目，每當有一個讀者進入時，就要執(zhí)行wait（L,1,1）操作，使L的值減1。當有RN個讀者進入讀后，L便減為0，第RN+1 個讀者要進入讀時，必然會因wait（L,1,1）操作失敗而堵塞。對利用信號量來解決讀者寫者問題的描述如下：

5、Var RN integer;L,mx:semaphore: =RN,1；BeginParbeginReader :beginRepeatSwait（L,1,1）;Swait（mx,1,0）;Perform reader operation;Ssignal(L,1);Until false;EndWriter ：beginRepeatSwait(mx ,1,1,l,RN,0);Perform writer operation;Ssignal(mx,1);Until false;EndParendEnd其中，Swait（mx,1,0）語句起著開關作用，只要無Writer進程進入些，mx=1，re

6、ader進程就都可以進入讀。但是要一旦有Writer進程進入寫時，其MX=0，則任何reader進程就都無法進入讀。Swait(mx ,1,1,l,RN,0)語句表示僅當既無Write進程在寫（mx=1），又無reader進程在讀（L=RN）時，writer進程才能進入臨界區(qū)寫。將所有的讀者和所有的寫者分別放進兩個等待隊列中，當讀允許時就讓讀者隊列釋放一個或多個讀者，當寫允許時，釋放第一個寫者操作。讀者寫者問題的定義如下：有一個許多進程共享的數據區(qū)，這個數據區(qū)可以是一個文件或者主存的一塊空間；有一些只讀取這個數據區(qū)的進程（Reader）和一些只往數據區(qū)寫數據的進程(Writer)，此外還需要滿

7、足以下條件：1)任意多個讀進程可以同時讀這個文件；2) 一次只有一個寫進程可以往文件中寫；3）如果一個寫進程正在進行操作，禁止任何讀進程度文件。程序由三部分組成：1.讀者模塊：包括系統(tǒng)調用接口，讀者活動描述主程序。系統(tǒng)接口主要功能是通過管道向父進程發(fā)送系統(tǒng)調用命令，并讀取父進程送來的返回值。2.寫者模塊：包括系統(tǒng)調用接口，寫者活動描述主程序。讀者-寫者活動程序根據臨界資源的共享，互斥原則編制。3.主控模塊：主控模塊實現系統(tǒng)初始化系統(tǒng)調用命令接收與解釋執(zhí)行，系統(tǒng)調用功能的實現（包括信號量機制），及讀者-寫者活動過程記錄與顯示。五、實驗結果使用的測試文件如下：1 R 3 52 W 4 53 R 5

8、 24 R 6 55 W 5.1 3讀者優(yōu)先：按時間順序，進程1發(fā)送讀請求，并進入讀文件。2發(fā)送寫請求，讀寫互斥，不能進行寫操作。3發(fā)送讀請求，并開始讀。5發(fā)送寫請求，同進程2。4發(fā)送讀請求，并開始讀。按時間順序，進程1,3,4先后完成讀操作，2開始寫操作，寫操作不能同時進行，2完成寫操作后，5才能開始寫操作。寫著優(yōu)先：按時間順序，進程1發(fā)送讀請求，并進入讀文件。2發(fā)送寫請求，讀寫互斥，不能進行寫操作，3發(fā)送讀請求，5發(fā)送寫請求，4發(fā)送讀請求。1完成讀請求后，由于寫者優(yōu)先，2進行寫操作，并且其他操作不能進行。2完成寫操作后，5進行寫操作。完成后按順序先后同時進行3，4讀操作。六、感想體會七、實

9、驗代碼# include "windows.h"# include <conio.h> # include <stdlib.h> # include <fstream.h> # include <io.h> # include <string.h> # include <stdio.h> # define READER 'R'/ 讀者 # define WRITER 'W'/ 寫者 # define INTE_PER_SEC 1000/ 每秒時鐘中斷數目# define

10、MAX_THREAD_NUM 64/ 最大線程數目# define MAX_FILE_NUM 32/ 最大數據文件數目# define MAX_STR_LEN 32/ 字符串長度int readcount = 0;/ 讀者數目 int writecount = 0;/ 寫者數目CRITICAL_SECTION RP_Write;/ 臨界區(qū) CRITICAL_SECTION cs_Write; CRITICAL_SECTION cs_Read; struct ThreadInfo intserial;/ 線程序號charentity;/ 線程類別 (判斷是讀者線程還是寫者線程)doubledel

11、ay;/ 線程延遲doublepersist;/ 線程讀寫操作持續(xù)時間 ;/ 讀者優(yōu)先-讀者線程/ p: 讀者線程信息void RP_ReaderThread(void* p) / 互斥變量HANDLE h_Mutex;h_Mutex = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE, "mutex_for_readcount" ) ;DWORD wait_for_mutex;/ 等待互斥變量所有權DWORD m_delay;/ 延遲時間DWORD m_persist;/ 讀文件持續(xù)時間int m_serial;/ 線程序號/ 從參數中獲得信息m_se

12、rial = ( (ThreadInfo*) (p) ) -> serial;m_delay = (DWORD) ( ( (ThreadInfo*) (p) ) -> delay*INTE_PER_SEC) ;m_persist = (DWORD) ( ( (ThreadInfo*) (p) ) -> persist*INTE_PER_SEC) ;Sleep(m_delay) ;/ 延遲等待printf( "Reader thread %d sents the reading require.n" , m_serial) ; / 等待互斥信號，保證對rea

13、dcount的訪問、修改互斥wait_for_mutex = WaitForSingleObject (h_Mutex, -1) ;/ 讀者數目增加readcount +;if (readcount = 1) / 第一個讀者，等待資源EnterCriticalSection(&RP_Write) ; ReleaseMutex(h_Mutex) ;/ 釋放互斥信號/ 讀文件printf( "Reader thread %d begins to read file.n" , m_serial) ;Sleep(m_persist) ;/ 退出線程printf("

14、Reader thread %d finished reading file.n" , m_serial) ;/ 等待互斥信號，保證對readcount的訪問、修改互斥wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_Mutex, -1) ;/ 讀者數目減少readcount -;if (readcount = 0) / 如果所有讀者讀完，喚醒寫者LeaveCriticalSection(&RP_Write) ; ReleaseMutex(h_Mutex) ;/ 釋放互斥信號 / 讀者優(yōu)先-寫者線程/ p: 寫者線程信息void RP_Writer

15、Thread(void* p) DWORD m_delay;/ 延遲時間DWORD m_persist;/ 寫文件持續(xù)時間int m_serial;/ 線程序號/ 從參數中獲得信息m_serial = ( (ThreadInfo*) (p) ) -> serial;m_delay = (DWORD) ( ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> delay * INTE_PER_SEC) ;m_persist = (DWORD) ( ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> persist * INTE_PER_SEC) ;Sleep(m_delay) ;

16、/ 延遲等待printf("Writer thread %d sents the writing require.n" , m_serial) ;/ 等待資源EnterCriticalSection(&RP_Write);/ 寫文件printf( "Writer thread %d begins to write to the file.n" , m_serial) ;Sleep(m_persist) ;/ 退出線程printf("Writer thread %d finishing writing to the file.n"

17、; , m_serial) ;/ 釋放資源LeaveCriticalSection(&RP_Write) ;/ 讀者優(yōu)先處理函數/ file: 文件名void ReaderPriority(char * file) DWORD n_thread = 0;/ 線程數目DWORD thread_ID;/ 線程IDDWORD wait_for_all;/ 等待所有線程結束/ 互斥對象HANDLE h_Mutex;h_Mutex = CreateMutex(NULL, FALSE, "mutex_for_readcount" ) ;/ 線程對象的數組HANDLE h_Thr

18、ead MAX_THREAD_NUM ;ThreadInfo thread_infoMAX_THREAD_NUM ;readcount = 0;/ 初始化readcountInitializeCriticalSection(&RP_Write) ;/ 初始化臨界區(qū)ifstream inFile;inFile.open(file) ;/ 打開文件printf("Reader Priority: n n" ) ;while (inFile)/ 讀入每一個讀者、寫者的信息inFile >> thread_infon_thread.serial;inFile &

19、gt;> thread_infon_thread.entity;inFile >> thread_infon_thread.delay;inFile >> thread_infon_thread + .persist;inFile.get() ; for (int i = 0; i < (int) (n_thread) ; i +) if (thread_infoi.entity = READER | thread_infoi.entity = 'r' )/ 創(chuàng)建讀者線程h_Threadi = CreateThread(NULL, 0, (L

20、PTHREAD_START_ROUTINE) (RP_ReaderThread) ,&thread_infoi , 0, &thread_ID) ;else / 創(chuàng)建寫者線程h_Threadi = CreateThread(NULL, 0,(LPTHREAD_START_ROUTINE) (RP_WriterThread) ,&thread_infoi , 0, &thread_ID) ; / 等待所有線程結束wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_thread, h_Thread, TRUE, -1) ;printf(&

21、quot;All reader and writer have finished operating.n" ) ; / 寫者優(yōu)先-讀者線程/ p: 讀者線程信息 void WP_ReaderThread(void * p) / 互斥變量HANDLE h_Mutex1;h_Mutex1 = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE, "mutex1" ) ;HANDLE h_Mutex2;h_Mutex2 = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE, "mutex2" ) ;DWORD wai

22、t_for_mutex1;/ 等待互斥變量所有權DWORD wait_for_mutex2;DWORD m_delay;/ 延遲時間DWORD m_persist;/ 讀文件持續(xù)時間int m_serial;/ 線程序號/ 從參數中獲得信息m_serial = ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> serial;m_delay = (DWORD) ( ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> delay * INTE_PER_SEC) ;m_persist = (DWORD) ( ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> persist *

23、INTE_PER_SEC) ;Sleep(m_delay) ;/ 延遲等待printf("Reader thread %d sents the reading require.n" , m_serial) ;wait_for_mutex1 = WaitForSingleObject(h_Mutex1, -1) ;/ 進入讀者臨界區(qū)EnterCriticalSection(&cs_Read) ;/ 阻塞互斥對象mutex2，保證對readcount的訪問、修改互斥wait_for_mutex2 = WaitForSingleObject(h_Mutex2, -1) ;

24、 / 修改讀者數目readcount +;if (readcount = 1) / 如果是第一個讀者，等待寫者寫完EnterCriticalSection(&cs_Write) ; ReleaseMutex(h_Mutex2) ;/ 釋放互斥信號mutex2/ 讓其他讀者進入臨界區(qū)LeaveCriticalSection(&cs_Read) ;ReleaseMutex(h_Mutex1) ;/ 讀文件printf("Reader thread %d begins to read file.n" , m_serial) ;Sleep(m_persist) ;/

25、 退出線程printf("Reader thread %d finished reading file.n" , m_serial) ;/ 阻塞互斥對象mutex2，保證對readcount的訪問、修改互斥wait_for_mutex2 = WaitForSingleObject(h_Mutex2, -1) ;readcount - ;if (readcount = 0)/ 最后一個讀者，喚醒寫者LeaveCriticalSection(&cs_Write) ; ReleaseMutex(h_Mutex2) ;/ 釋放互斥信號/ 寫者優(yōu)先-寫者線程/ p: 寫者線程

26、信息void WP_WriterThread(void * p) DWORD m_delay;/ 延遲時間DWORD m_persist;/ 寫文件持續(xù)時間int m_serial;/ 線程序號DWORD wait_for_mutex3;/ 互斥對象HANDLE h_Mutex3;h_Mutex3 = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE, "mutex3" ) ; / 從參數中獲得信息m_serial = ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> serial;m_delay = (DWORD) ( ( (ThreadInfo

27、* ) (p) ) -> delay * INTE_PER_SEC) ;m_persist = (DWORD) ( ( (ThreadInfo* ) (p) ) -> persist * INTE_PER_SEC) ;Sleep(m_delay) ;/ 延遲等待printf("Writer thread %d sents the writing require.n" , m_serial) ;/ 阻塞互斥對象mutex3, 保證對writecount的訪問、修改互斥wait_for_mutex3 = WaitForSingleObject(h_Mutex3, -

28、1) ;writecount + ;/ 修改寫者數目if (writecount = 1)/ 第一個寫者，等待讀者讀完EnterCriticalSection(&cs_Read) ; ReleaseMutex(h_Mutex3) ;/ 進入寫者臨界區(qū)EnterCriticalSection(&cs_Write) ;/ 寫文件printf("Writer thread %d begins to write to the file.n" , m_serial) ;Sleep(m_persist) ;/ 退出線程printf("Writer thread

29、 %d finishing writing to the file.n" , m_serial) ;/ 離開臨界區(qū)LeaveCriticalSection(&cs_Write) ;/ 阻塞互斥對象mutex3，保證對writecount的訪問、修改互斥wait_for_mutex3 = WaitForSingleObject(h_Mutex3, -1) ;writecount -;if (writecount = 0)/ 寫者寫完，讀者可以讀LeaveCriticalSection(&cs_Read) ;ReleaseMutex(h_Mutex3) ; / / / /

30、 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 寫者優(yōu)先處理函數/ file: 文件名void WriterPriority(char * file)DWORD n_thread = 0;/ 線程數目DWORD thread_ID;/ 線程IDDWORD wait_for_all;/ 等待所有線程結束/ 互斥對象HANDLE h_Mutex1;h_Mutex1 = Cre

31、ateMutex(NULL, FALSE, "mutex1" ) ;HANDLE h_Mutex2;h_Mutex2 = CreateMutex(NULL, FALSE, "mutex2" ) ;HANDLE h_Mutex3;h_Mutex3 = CreateMutex(NULL, FALSE, "mutex3" ) ;/ 線程對象HANDLE h_ThreadMAX_THREAD_NUM ;ThreadInfo thread_infoMAX_THREAD_NUM ;readcount = 0;/ 初始化readcountwrite

32、count = 0; / 初始化writecountInitializeCriticalSection(&cs_Write) ;/ 初始化臨界區(qū)InitializeCriticalSection(&cs_Read) ;ifstream inFile;inFile.open(file) ;/ 打開文件printf("Writer Priority: n n" ) ;while (inFile)/ 讀入每一個讀者、寫者的信息inFile >> thread_infon_thread.serial;inFile >> thread_info

33、n_thread.entity;inFile >> thread_infon_thread.delay;inFile >> thread_infon_thread +.persist;inFile.get() ;for (int i = 0; i < (int) (n_thread) ; i +)if (thread_infoi.entity = READER | thread_infoi.entity = 'r' )/ 創(chuàng)建讀者線程h_Threadi = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE) (WP_ReaderThread) ,&thread_infoi , 0, &thread_ID) ;else / 創(chuàng)建寫者線程h_Threadi = CreateThr