读者与写者问题课程设计报告.doc

操作系统课程设计说明书 学院名称： 计算机与信息工程学院 班级名称： 网工114班 组长姓名： 何铭川 学 号： 2011211371 题 目： 读者写者问题 指导教师： 张巧云 组员姓名： 曹海波、李保磊、贾发展、王礼辉 起止日期： 2013.06.242013.06.28 第一部分：正文部分一、选题背景所谓读者写者问题，是指保证一个writer进程必须与其他进程互斥地访问共享对象的同步问题。读者写者问题可以这样的描述，有一群写者和一群读者，写者在写同一本书，读者也在读这本书，多个读者可以同时读这本书，但是，只能有一个写者在写书，并且，读者必写者优先，也就是说，读者和写者同时提出请求时，读者优先。当读者提出请求时需要有一个互斥操作，另外，需要有一个信号量S来当前是否可操作。信号量机制是支持多道程序的并发操作系统设计中解决资源共享时进程间的同步与互斥的重要机制，而读者写者问题则是这一机制的一个经典范例。与记录型信号量解决读者写者问题不同，信号量机制它增加了一个限制，即最多允许RN个读者同时读。为此，又引入了一个信号量L,并赋予初值为RN，通过执行wait（L,1,1）操作，来控制读者的数目，每当有一个读者进入时，就要执行wait（L,1,1）操作，使L的值减1。当有RN个读者进入读后，L便减为0，第RN+1 个读者要进入读时，必然会因wait（L,1,1）操作失败而堵塞。对利用信号量来解决读者写者问题的描述如下：Var RN integer;L,mx:semaphore: =RN,1；BeginParbeginReader :begin Repeat Swait（L,1,1）; Swait（mx,1,0）; Perform reader operation;Ssignal(L,1);Until false;EndWriter：begin RepeatSwait(mx ,1,1,l,RN,0);Perform writer operation;Ssignal(mx,1);Until false;EndParendEnd其中，Swait（mx,1,0）语句起着开关作用，只要无Writer进程进入些，mx=1，reader进程就都可以进入读。但是要一旦有Writer进程进入写时，其MX=0，则任何reader进程就都无法进入读。Swait(mx ,1,1,l,RN,0)语句表示仅当既无Write进程在写（mx=1），又无reader进程在读（L=RN）时，writer进程才能进入临界区写。本设计方案就是通过利用记录型信号量对读者写者问题的解决过程进行模拟演示，形象地阐述记录型信号量机制的工作原理。二、设计思路在Windows 7 环境下，创建一个包含n 个线程的控制台进程。用这n 个线程来表示n个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件的要求，进行读写操作。请用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的读者-写者问题。读者-写者问题的读写操作限制：读者-写者的读写限制（包括读者优先和写者优先）写-写互斥，即不能有两个写者同时进行写操作读-写互斥，即不能同时有一个读者在读，同时却有一个写者在写读读允许，即可以有2个以上的读者同时读将所有的读者和所有的写者分别放进两个等待队列中，当读允许时就让读者队列释放一个或多个读者，当写允许时，释放第一个写者操作。读者写者问题的定义如下：有一个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；有一些只读取这个数据区的进程（Reader）和一些只往数据区写数据的进程(Writer)，此外还需要满足以下条件：任意多个读进程可以同时读这个文件；一次只有一个写进程可以往文件中写；如果一个写进程正在进行操作，禁止任何读进程度文件。我们需要分两种情况实现该问题：读优先：要求指一个读者试图进行读操作时，如果这时正有其他读者在进行操作，他可直接开始读操作，而不需要等待。写优先：一个读者试图进行读操作时，如果有其他写者在等待进行写操作或正在进行写操作，他要等待该写者完成写操作后才开始读操作，具体流程如下图2.1所示。图2.1读者写者总体流程框图三、过程论述概要设计程序由两部分组成：读者-写者模块：包括系统调用接口，读者-写者活动描述主程序。系统接口主要功能是通过管道向父进程发送系统调用命令，并读取父进程送来的返回值。读者-写者活动程序根据临界资源的共享，互斥原则编制，具体见源程序。主控模块：主控模块实现系统初始化系统调用命令接收与解释执行，系统调用功能的实现（包括信号量机制），及读者-写者活动过程记录与显示。初始化系统环境建立通信管道启动读者-写者进程接收系统调用命令解释执行详细设计为了实现读者和写者的读写过程,将每个读者和每个写者作为了一个单独的线程,所以设置了两个类,一个是读者类Reader,一个是写者类Writer.以读者类为例:一个读者的动作过程为由睡眠-等待-开始读-结束读-睡眠的一个循环过程,而一个写者的动作过程也为此.读者调用方法Sleep()进行等待,调用Weakup()方法唤醒,最后在调用endReading()方法结束读入,释放运行空间.写者同读者.首先要实现睡眠的方法Sleep(),读者和写者在睡眠过程都应该是一样的,只是他们睡眠的时间不同,所以只需写出一个方法；在方法中,控制线程休眠随机的时间,由于每个读者或写者都是一个线程,而每个读者或写者他们工作休眠的时间都不一定相同,他们请求工作的时间也不一定相同,所以取了随机时间。其次设置了读者的两个方法,开始读和结束读,由于这只是个模拟读写问题,所以只需要知道结果就行,就不用显示出他是怎么读的。在开始读中,当有写者在写时,读者需要等待wait(),在没有人在工作时,如果有写者和读者同时请求,那么就让写者先进,这是写者优先。所以这就归纳于一种情况, 当读者布尔变量为FALSE时,如果有需要工作的写者,那么读者就等待。当读者请求读入后,计数有多少读者需要工作的变量readerCount +1,如果这是第一个进入工作的读者就需要将显示是否有读者在工作的读者布尔变量变为TRU E。具体流程如下图3.1、3.2所示。图3.1创建写者进程 图3.2创建读者进程四、结果分析测试数据文件格式:测试数据文件包括n 行测试数据，分别描述创建的n 个线程是读者还是写者，以及读写操作的开始时间和持续时间。每行测试数据包括四个字段，各字段间用空格分隔。第一字段为一个正整数，表示线程序号。第二字段表示相应线程角色，R 表示读者是，W 表示写者。第三字段为一个正数，表示读写操作的开始时间。线程创建后，延时相应时间（单位为秒）后发出对共享资源的读写申请。第四字段为一个正数，表示读写操作的持续时间。当线程读写申请成功后，开始对共享资源的读写操作，该操作持续相应时间后结束，并释放共享资源。测试结果:在读者写者同时在队列中等待申请资时，读者优先调用资源。而且如果一个读者申请进行读操作时已有另一读者正在进行读操作，则该读者可直接开始读操作，即读读允许。进程1是W操作，在时间3时进入队列,运行时间是5,在它进入时没有进程占用资源，它既占用资源；知道它释放资源，等候的进程有3，4，5，具体表现如下图4.1、图4.2所示；图4.1进程1进入图图4.2进程1完成图进程2是R操作，在时间16时进入队列,运行时间是5,在它进入时进程4占用资源，它等待资源，当4释放时占用资源，具体表现如下图4.3、图4.4所示；图4.3进程2进入图图4.4进程2完成图进程3是R操作，在时间5时进入队列,运行时间是2,在它进入时进程1占用资源，它等待资源，当进程1释放资源后，由于读者优先，进程3，5同时调运资源，具体表现如下图4.5、图4.6所示；图4.5进程3进入图图4.6进程3完成图进程4是W操作，在时间6时进入队列,运行时间是5,在它进入时进程1占用资源，它等待资源，当进程1释放资源后，由于读者优先，进程3，5占用资源，它依然等待，直到进程3，5都结束，具体表现如下图4.7、图4.8所示；图4.7进程4进入图图4.8进程4完成图进程5是R操作，在时间4时进入队列,运行时间是3, 在它进入时进程1占用资源，它等待资源，当进程1释放资源后，由于读者优先，进程3，5同时调运资源，具体表现如下图4.9、图4.10所示；图4.9进程5进入图图4.10进程5完成图进程6是R操作，在时间17时进入队列,运行时间是7,在它进入时进程2占用资源，它等待进程2释放后最后调用资源，具体表现如下图4.11所示。图4.11进程6进入图五、总结本次操作系统课程设计我们小组完成的是读者写者问题，通过学习信号量机制，我们对其的同步与互斥机制有了很深掌握并认识到同步与互斥可以保证在一个时间内只有一个线程对某个资源有控制权。共享资源包括全局变量、公共数据成员或者句柄等。同步还可以使得有关联交互作用的代码按一定的顺序执行。总体来说我认为操作系统这门学科在计算机科学当是中非常重要的。他将我们学过的编程语言联系起来，可以说是第一次利用C语言利用windows的API与系统进行“沟通”。总而言之，这次操作系统的课程设计收获颇丰，复习了许多东西，也从新学会了许多东西。我想这也许就是课程设计的最终目的吧。第二部分：参考文献1.谭浩强.C+程序设计M.清华大学出版社，20042.汤子瀛. 计算机操作系统M. 西安电子科技大学出版社. 2006.93.刘振安、刘燕君著.C+程序设计课程设计M.机械工业出版社，20044.美Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne 著. 郑扣根 译. 操作系统概念（第六版）M.高等教育出版社，20045.陈向群，向勇 等. Windows操作系统原理（第二版）M.机械工业出版社，2004第三部分：指导教师评语第四部分：成绩评定第五部分：附录（源代码）#include #include #include #include #include #include #define MAX_PERSON 100#define READER 0 /读者#define WRITER 1 /写者#define END -1#define R READER#define W WRITERtypedef struct _PersonHANDLE m_hThread;/定义处理线程的句柄int m_nType;/进程类型（读写）int m_nStartTime;/开始时间int m_nWorkTime;/运行时间int m_nID;/进程号Person;Person g_PersonsMAX_PERSON;int g_NumPerson = 0;long g_CurrentTime= 0;/基本时间片数int g_PersonLists = /进程队列1, W, 3, 5, 2, W, 16, 5, 3, R, 5, 2,4, W, 6, 5, 5, R, 4, 3, 6, R, 17,7,END,;int g_NumOfReading = 0;int g_NumOfWriteRequest = 0;/申请写进程的个数HANDLE g_hReadSemaphore;/读者信号HANDLE g_hWriteSemaphore;/写者信号bool finished = false; /所有的读完成/bool wfinished = false; /所有的写完成void CreatePersonList(int *pPersonList);bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID);bool CreateWriter(int StartTime,int WorkTime,int ID);DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam);DWORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam);int main()g_hReadSemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,100,NULL); /创建信号灯，当前可用的资源数为1，最大为100g_hWriteSemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,100,NULL); /创建信号灯，当前可用的资源数为1，最大为100CreatePersonList(g_PersonLists); / Create All the reader and writersprintf(Created all the reader and writern.n);g_CurrentTime = 0;while(true)g_CurrentTime+;Sleep(300); / 300 msprintf(CurrentTime = %dn,g_CurrentTime);if(finished) return 0; / return 0;void CreatePersonList(int *pPersonLists)int i=0;int *pList = pPersonLists;bool Ret;while(pList0 != END)switch(pList1)case R: Ret = CreateReader(pList2,pList3,pList0); /351,w452,523,654break;case W:Ret = CreateWriter(pList2,pList3,pList0);break;if(!Ret)printf(Create Person %d is wrongn,pList0);pList += 4; / move to next person listDWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam)/读过程Person *pPerson = (Person*)lpParam;/ wait for the start timewhile(g_CurrentTime != pPerson-m_nStartTime) printf(Reader %d is Requesting .n,pPerson-m_nID);printf(nn*n);/ wait for the write requestWaitForSingleObject(g_hReadSemaphore,INFINITE); if(g_NumOfReading =0)WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE);g_NumOfReading+;ReleaseSemaphore(g_hReadSemaphore,1,NULL);pPerson-m_nStartTime = g_CurrentTime; printf(Reader %d is Reading the Shared Buffer. n,pPerson-m_n ID);printf(nn*n);while(g_CurrentTimem_nStartTime + pPerson-m_nWorkTime)printf(Reader %d is Exit.n,pPerson-m_nID);printf(nn*n);WaitForSingleObject(g_hReadSemaphore,INFINITE);g_NumOfReading-;if(g_NumOfReading = 0)ReleaseSemaphore(g_hWriteSemaphore,1,NULL);/此时没有读者，可以写ReleaseSemaphore(g_hReadSemaphore,1,NULL);if(pPerson-m_nID = 4) finished = true; /所有的读写完成ExitThread(0);return 0;DWORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam)Person *pPerson = (Person*)lpParam;/ wait for the start timewhile(g_CurrentTime != pPerson-m_nStartTime)printf(Writer %d is Requesting .n,pPerson-m_nID);printf(nn*n);WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE);/ modify the writers real start timepPerson-m_nStartTime = g_CurrentTime;printf(Writer %d is Writting the Shared Buffer.n,pPerson-m_nID);while(g_CurrentTimem_nStartTime+ pPerson-m_nWorkTime)printf(Writer %d is Exit.n,pPerson-m_nID);printf(nn*n);/g_NumOfWriteRequest-;ReleaseSemaphore(g_hWriteSemaphore,1,NULL);if(pPerson-m_nID = 4) finished = true;/所有的读写完成ExitThread(0);return 0;bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID)DWORD dwThr