实验3读者写者问题与进程同步Word格式文档下载.docx
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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(){
写文件;
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。
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}
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
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}
最初没有进程在访问文件。
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。
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"
r2"
1
w1"
3
r3"
4
2
w2"
5
6
w3"
10
r4"
7
8
r5"
9
w4"
18
w5"
12
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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