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读者与写者的问题

(2013-04-16 23:45:42)
分类: 题目

2.读者写者问题

读者写者问题Readers-Writers problem也是一个经典的并发程序设计问题,是经常出现的一种同步问题。计算机系统中的数据(文件、记录)常被多个进程共享,但其中某些进程可能只要求读数据(称为读者Reader);另一些进程则要求修改数据(称为写者Writer)。就共享数据而言,ReaderWriter是两组并发进程共享一组数据区,要求:

1)允许多个读者同时执行读操作;

2)不允许读者、写者同时操作;

3)不允许多个写者同时操作。

ReaderWriter的同步问题分为读者优先、弱写者优先(公平竞争)和强写者优先三种情况,它们的处理方式不同。

1)读者优先。对于读者优先,应满足下列条件:

如果新读者到:

①无读者、写者,新读者可以读;

②有写者等待,但有其它读者正在读,则新读者也可以读;

③有写者写,新读者等待。

如果新写者到:

①无读者,新写者可以写;

②有读者,新写者等待;

③有其它写者,新写者等待。

单纯使用信号量不能解决读者与写者问题,必须引入计数器rc 对读进程计数;rc_mutex 是用于对计数器rc 操作的互斥信号量;write表示是否允许写的信号量;于是读者优先的程序设计如下:

int rc=0;                                                        //用于记录当前的读者数量

semaphore rc_mutex=1;                           //用于对共享变量rc 操作的互斥信号量

semaphore write=1;                               //用于保证读者和写者互斥地访问的信号量

 

void reader()       

do{

      P(rc_mutex);                               //开始对rc共享变量进行互斥访问

        rc ++                                 //来了一个读进程,读进程数加1

if (rc==1)  P(write)                  //如是第一个读进程,判断是否有写进程在临界区,

//若有,读进程等待,若无,阻塞写进程

      V(rc_mutex);                               //结束对rc共享变量的互斥访问

         读文件;

      P(rc_mutex);                               //开始对rc共享变量的互斥访问

        rc--                                  //一个读进程读完,读进程数减1

if (rc == 0)  V(write)        //最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程//需要进入临界区,若有,唤醒一个写进程进临界区

      V(rc_mutex);                              //结束对rc共享变量的互斥访问

} while(1)

 

void writer()     

do{

         P(write);                            //无读进程,进入写进程;若有读进程,写进程等待

         写文件;

V(write);                                 //写进程完成;判断是否有读进程需要进入临界区,

               //若有,唤醒一个读进程进临界区

       } while(1)

读者优先的设计思想是读进程只要看到有其它读进程正在读,就可以继续进行读;写进程必须等待所有读进程都不读时才能写,即使写进程可能比一些读进程更早提出申请。该算法只要还有一个读者在活动,就允许后续的读者进来,该策略的结果是,如果有一个稳定的读者流存在,那么这些读者将在到达后被允许进入。而写者就始终被挂起,直到没有读者为止。

2)写者优先1为了解决以上问题,写者优先1的设计思想是在一个写者到达时如果有正在工作的读者,那么该写者只要等待正在工作的读者完成,而不必等候其后面到来的读者就可以进行写操作。注意,该算法当一个写者在等待时,后到达的读者是在写者之后被挂起,而不是立即允许进入。

在读者优先的算法的基础上增加了一个排队信号量read,读、写进程在每次操作前都要等待read信号量。写者优先1的程序设计如下:

int rc=0;                                                         //用于记录当前的读者数量

semaphore rc_mutex=1;                               //用于对共享变量rc 操作的互斥信号量

semaphore wc_mutex=1;                              //用于保证读者和写者互斥地访问的信号量

semaphore write=1;                                   //用于保证读者和写者互斥地访问的信号量

semaphore read=1;                                   //用于保证在写进程封锁其后续的读进程的信号量

 

void reader()     

do{

P(read);                                //若有写进程,后续读进程等待,在read队列上排队

P(rc_mutex);                             //开始对rc共享变量进行互斥访问

rc++;                                    //来了一个读进程,读进程数加1

if rc=1 then  P(write);                  //第一个读进程需要判断是否有写进程在临界区,若有,

//读进程需要等待,若没有,阻塞写进程

V(rc_mutex);                           //结束对rc共享变量的互斥访问

V(read);                               // read队列中唤醒一个进程

Reading the file;

P(rc_mutex);                            //开始对rc共享变量的互斥访问

rc--;                                    //一个读进程读完,读进程数减1

if rc=0 then  V(write);                  //最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程

                              //需要进入临界区,若有,唤醒一个写进程进临界区

V(rc_mutex);                             //结束对rc共享变量的互斥访问

}

 

void  writer()          

do{

P(read);                               //无读进程,写进程进入;有读进程,在read排队,其后

//到来的读进程排在该队列写者之后

P(write);                               //若有读进程在读,等待现有读进程读完才可写

Writeing the file;   

V(write);                              //写进程完成;判断是否有读进程需要进入临界区,若有,

             //唤醒一个读进程进临界区

V(read);                              // read队列中唤醒一个进程

注意,该算法当第一个写者已经P(read)后,read变为0,来了N个读者,他们都停留在它的P(read)这一句。那么会出现什么问题呢?此时,如果原来的写者完成了,紧接又来了一个写者,写者需要P(read)。这个时候,由于N个读者都已经在这个写者之前P(read)了,所以这个写者需要排队排在这N个读者分别都得到P(read)后才能得到执行,这个就不是写者优先了,而是读者写者公平竞争。

3写者优先2为了保证写者相对于读者的优先,需要提高写者进程的优先级。这里除增加一个排队信号量read,让读者和写者在读写之前都在此信号量上排队。还需增加一个信号量write_first,来保证写者优先。写者优先2的程序设计如下:

int rc, wc = 0; //用于读者,写者的计数
semaphore read, write = 1;                      //
用于读进程和写进程的互斥信号量

semaphore rc_mutex, wc_mutex, write_first = 1;//用于读时、写时和写者优先的互斥

          void reader(){    

while(1){

         P(write_first);                                         //用来保证写者优先。若有写进程,第二个后的读者等待在这
        P(read);                                           
//若有写进程,第一个读进程等待; 无写进程,读进程进入

P(rc_mutex);                                          //开始对rc共享变量进行互斥访问
                   rc++;                                          //
更新读进程数
                  if (rc==1) P(write);                        //
第一个读进程需要判断是否有写进程在临界区,若有,读进程

//等待,若无,阻塞写进程

V(rc_mutex);                                        //结束对rc共享变量的互斥访问
V(read);                                           //
read队列中唤醒一个进程

V(write_first);

                  doReading();

P(rc_mutex);                                          //开始对rc共享变量进行互斥访问

rc--;                                           //更新读进程数量

if (rc==0) V(write);                           //最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程

                        //需要进入临界区,若有,唤醒一个写进程进临界区

V(rc_mutex);                                             //结束对rc共享变量的互斥访问
            }

}
  
void writer(){         

while(1){
   P(wc_mutex);                                      //
开始对wc共享变量进行互斥访问
      wc++;                                          //
更新写进程数
      if (wc==1)  P(read);                                 //
第一个写进程需要判断是否有读进程在临界区,若有,写进程   

//阻塞,若无,阻塞新的读进程

   V(wc_mutex);                                        //结束对wc共享变量的互斥访问
   P(write);                                          //
限制同一时刻只能有一个写进程进行写操作

       do writing();

V(write);                                                  //结束对写操作的限制
   P(wc_mutex);                                        //
开始对wc的互斥访问
       wc--;                                          //
更新写进程数量
       if (wc==0)  V(read);                           //
最后一个离开临界区的写进程需要判断是否有读进程需要

//进入,若有,唤醒一个读进程进入临界区

V(wc_mutex);                                      //结束对wc的互斥访问
    }
}
    这里write_first的设立是为了保证写者优先。因为write_first的初值是1,在读进程,执行完P(write_first)后等在P(read)这一句的读者最多只有1个。

对于read信号量,每个读进程最开始都要申请一次,之后在真正做读操作前即让出,这使得写进程可以随时申请到 read。而写进程,只有第一个写进程需要申请 read,之后就一直占着不放了,直到所有写进程都完成后才让出。等于只要有写进程提出申请就禁止读进程在read信号量上排队。

假设一个写进程正在写时,接着后续有n个读者正在等待,这时又有一个新的写者要写,比较一下写者优先1和写者优先2的情况:写者优先1新来的写者需要等待n+1Vread)操作,而写者优先2新来的写者只需等待2Vread)操作,变相提高了写进程的优先级。

 

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