[线程同步问题]读者写者同步问题

问题描述

有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求：

①允许多个读者可以同时对文件执行读操作；

②只允许一个写者往文件中写信息；

③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；

④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。

问题分析

1) 关系分析。由题目分析读者和写者是互斥的，写者和写者也是互斥的，而读者和读者不存在互斥问题。

2) 整理思路。两个进程，即读者和写者。写者是比较简单的，它和任何进程互斥，用互斥信号量的P操作、V操作即可解决。读者的问题比较复杂，它必须实现与写者互斥的同时还要实现与其他读者的同步，因此，仅仅简单的一对P操作、V操作是无法解决的。那么，在这里用到了一个计数器，用它来判断当前是否有读者读文件。当有读者的时候写者是无法写文件的，此时读者会一直占用文件，当没有读者的时候写者才可以写文件。同时这里不同读者对计数器的访问也应该是互斥的。

3) 信号量设置。首先设置信号量count为计数器，用来记录当前读者数量，初值为0; 设置mutex为互斥信号量，用于保护更新count变量时的互斥；设置互斥信号量rw用于保证读者和写者的互斥访问。

伪代码实现：

int count=0;  //用于记录当前的读者数量
semaphore mutex=1;  //用于保护更新count变量时的互斥
semaphore rw=1;  //用于保证读者和写者互斥地访问文件
writer () 
{  //写者进程
    while (true)
	{
        P(rw); // 互斥访问共享文件
        Writing;  //写入
        V(rw) ;  //释放共享文件
    }
}
reader () 
{  // 读者进程
    while(true)
	{
        P (mutex) ;  //互斥访问count变量
        if (count==0)  //当第一个读进程读共享文件时
            P(rw);  //阻止写进程写
        count++;  //读者计数器加1
        V (mutex) ;  //释放互斥变量count
        reading;  //读取
        P (mutex) ;  //互斥访问count变量
        count--; //读者计数器减1
        if (count==0)  //当最后一个读进程读完共享文件
            V(rw) ;  //允许写进程写
        V (mutex) ;  //释放互斥变量 count
    }
}

在Windows下代码实现：读者互斥访问count用关键段，读者、写者互斥用事件完成。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>

const int writter_num = 2;
const int reader_sum = 8;
int reader_count;

HANDLE g_hEvent;
CRITICAL_SECTION g_csThreadCode;

unsigned int __stdcall writter_thread(void *param)
{
	printf("	写线程等待...
");
	WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);

	printf("	写线程开始写文件...
");
	Sleep(rand() % 100);
	printf("	写线程结束写文件
");

	SetEvent(g_hEvent);

	return 0;
}
unsigned int __stdcall reader_thread(void *param)
{
	EnterCriticalSection(&g_csThreadCode);
	if(reader_count == 0)
		WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
	reader_count++;
	LeaveCriticalSection(&g_csThreadCode);

	printf("读线程%d开始读文件...
", GetCurrentThreadId());
	Sleep(rand() % 100);
	printf("读线程%d结束读文件
", GetCurrentThreadId());

	EnterCriticalSection(&g_csThreadCode);
	reader_count--;
	if (reader_count == 0)
		SetEvent(g_hEvent);
	LeaveCriticalSection(&g_csThreadCode);

	return 0;
}

int main()
{
	//设置一个随机种子
	srand((unsigned)time(NULL));
	InitializeCriticalSection(&g_csThreadCode);
	g_hEvent = CreateEvent(NULL, false, true, NULL);
	//再读读者数目
	reader_count = 0;
	int i,j;

	HANDLE handle[reader_sum + writter_num];
	for (i = 0; i < reader_sum; i++)
	{
		handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, reader_thread, NULL, 0, NULL);
	}
	for (j = i; j < reader_sum + writter_num; j++)
	{
		handle[j] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, writter_thread, NULL, 0, NULL);
	}
	

	WaitForMultipleObjects(reader_sum + writter_num, handle, true, INFINITE);

	DeleteCriticalSection(&g_csThreadCode);
	CloseHandle(g_hEvent);
	for(i = 0; i < reader_sum + 1; i++)
	{
		CloseHandle(handle[i]);
	}


	return 0;
}

执行结果：

从执行结果可以看出，在上面的算法中，读进程是优先的，也就是说，当存在读进程时，写操作将被延迟，并且只要有一个读进程活跃，随后而来的读进程都将被允许访问文件。这样的方式下，会导致写进程可能长时间等待，且存在写进程“饿死”的情况。

---

 如果希望写进程优先，即当有读进程正在读共享文件时，有写进程请求访问，这时应禁止后续读进程的请求，等待到已在共享文件的读进程执行完毕则立即让写进程执行，只有在无写进程执行的情况下才允许读进程再次运行。为此，增加一个信号量并且在上面的程序中 writer()和reader()函数中各增加一对PV操作，就可以得到写进程优先的解决程序。

伪代码实现：

int count = 0;  //用于记录当前的读者数量
semaphore mutex = 1;  //用于保护更新count变量时的互斥
semaphore rw=1;  //用于保证读者和写者互斥地访问文件
semaphore w=1;  //用于实现“写优先”
writer()
{
    while(1)
	{
        P(w);  //在无写进程请求时进入
        P(rw);  //互斥访问共享文件
        writing;  //写入
        V(rw);  // 释放共享文件
        V(w) ;  //恢复对共享支件的访问
    }
}
reader () 
{  //读者进程
    while (1)
	{
        P (w) ;  // 在无写进程请求时进入
        P (mutex);  // 互斥访问count变量
        if (count==0)  //当第一个读进程读共享文件时
            P(rw);  //阻止写进程写
        count++;  //读者计数器加1
        V (mutex) ;  //释放互斥变量count
        V(w);  //恢复对共享文件的访问
        reading;  //读取
        P (mutex) ; //互斥访问count变量
        count--;  //读者计数器减1
        if (count==0)  //当最后一个读进程读完共享文件
            V(rw);  //允许写进程写
        V (mutex);  //释放互斥变量count
    }
}

windows代码实现：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>

//定义读者和写者的数量
const int WRITER_NUM = 2;
const int READER_NUM = 8;

//读者当前的数量
int g_reader_count;

//同步变量或者内核对象
CRITICAL_SECTION g_hThreadCode;
HANDLE g_hEventrw;
HANDLE g_hEventw;

unsigned int __stdcall reader_thread(void *param)
{
	WaitForSingleObject(g_hEventw, INFINITE);
	EnterCriticalSection(&g_hThreadCode);
	if (g_reader_count == 0)
	{
		WaitForSingleObject(g_hEventrw, INFINITE);
	}
	g_reader_count++;
	LeaveCriticalSection(&g_hThreadCode);
	SetEvent(g_hEventw);

	printf("%d线程开始读文件
", GetCurrentThreadId());
	Sleep(rand() % 100);
	printf("%d线程结束读文件
", GetCurrentThreadId());

	EnterCriticalSection(&g_hThreadCode);
	g_reader_count--;
	if (g_reader_count == 0)
	{
		SetEvent(g_hEventrw);
	}
	LeaveCriticalSection(&g_hThreadCode);

	return 0;
}

unsigned int __stdcall writer_thread(void *param)
{
	WaitForSingleObject(g_hEventw, INFINITE);
	WaitForSingleObject(g_hEventrw, INFINITE);

	printf("	%d线程开始写文件
", GetCurrentThreadId());
	Sleep(rand() % 100);
	printf("	%d线程结束文写文件
", GetCurrentThreadId());

	SetEvent(g_hEventrw);
	SetEvent(g_hEventw);

	return 0;
}

int main()
{
	//初始化工作
	InitializeCriticalSection(&g_hThreadCode);
	g_hEventrw = CreateEvent(NULL, false, true, NULL);
	g_hEventw  = CreateEvent(NULL, false, true, NULL);
	g_reader_count = 0;
	//设置随机种子
	srand((unsigned int)time(NULL));

	int i,j;

	HANDLE handle[WRITER_NUM + READER_NUM];
	for (i = 0; i < WRITER_NUM; i++)
	{
		handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, writer_thread, NULL, 0, NULL);
	}
	for (j = i; j < WRITER_NUM + READER_NUM; j++)
	{
		handle[j] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, reader_thread, NULL, 0, NULL);
	}

	WaitForMultipleObjects(WRITER_NUM + READER_NUM, handle, true, INFINITE);

	//释放资源
	DeleteCriticalSection(&g_hThreadCode);
	CloseHandle(g_hEventw);
	CloseHandle(g_hEventrw);
	for (i  = 0; i < WRITER_NUM + READER_NUM; i++)
	{
		CloseHandle(handle[i]);
	}

	return 0;
}

执行结果：

现在的写者线程就不会出现饿死的现象了。