操作系统读者写者问题

操作系统 课程设计报告

目录

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第1章 实验目的和实验要求 ......................................................................................................... 1

1.1 实验目的 ............................................................................................................................ 1 1.2 实验要求 ............................................................................................................................ 1 1.3 课程设计题目 .................................................................................................................... 1 第2章 实验内容 ............................................................................................................................. 2

2.1题目分析 ............................................................................................................................. 2

2.1.1 问题的描述 ............................................................................................................. 2 2.1.2 问题的解决方法 ..................................................................................................... 2 2.2 算法分析 ............................................................................................................................ 3

2.2.1 读者优先算法分析 ................................................................................................. 3 2.2.2 写者优先算法分析 ................................................................................................. 8 2.2.3 无优先算法分析 ................................................................................................... 11 2.3 函数设计 .......................................................................................................................... 13 第3章 程序实现 ........................................................................................................................... 15

3.1 程序功能及界面设计 ...................................................................................................... 15 3.2 实现程序流程 .................................................................................................................. 15

3.2.1 读者优先算法实现 ............................................................................................... 15 3.2.2 写者优先算法实现 ............................................................................................... 16 3.2.3 无优先算法实现 ................................................................................................... 17 3.3 程序流程图 ...................................................................................................................... 18

3.3.1 读者优先算法流程图 ........................................................................................... 18 3.3.2 写者优先算法流程图 ........................................................................................... 18 3.3.3 无优先算法流程图 ............................................................................................... 19

心得体会 ......................................................................................................................................... 21 参考文献 ......................................................................................................................................... 22 附录1 源代码 ................................................................................................................................ 23

I

第1章 实验目的和实验要求

第1章 实验目的和实验要求

1.1 实验目的

理解临界区和进程互斥的概念，掌握用信号量和PV操作实现进程互斥的方法。

1.2 实验要求

在windows或者linux环境下编写一个控制台应用程序，该程序运行时能创建N个线程，其中既有读者线程又有写者线程，它们按照事先设计好的测试数据进行读写操作。请用信号量和PV操作实现读者/写者问题。

1.3 课程设计题目

本课程设计共包括3个题目，内容覆盖了操作系统原理的关键知识点，包括进程调度、内存管理、进程同步、死锁、进程通讯、文件系统及嵌入式操作系统。

题目1：进程调度算法。模拟在单处理器情况下的进程调度，目的是加深对进程调度工作的理解，掌握不同调度算法的优缺点

题目2：动态异长分区的存储分配与回收算法。编写一个程序，模拟操作系统对动态异长分区的存储分配与回收算法。

题目3：读者/写者问题与进程同步。理解临界区和进程互斥的概念，掌握用信号量和PV操作实现进程互斥的方法。要求学生用信号量和PV操作实现读者/写者问题的读者优先算法、写者优先算法和无优先算法。

我们小组选择题目3，即读者/写者问题与进程同步。以下是该题目的实验报告。

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第2章 实验内容

第2章 实验内容

2.1题目分析

2.1.1 问题的描述

有一个被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，甚至可以是一组处理器寄存器。有一些只读取这个数据区的进程（reader）和一些只往数据区中写数据的进程（writer）。以下假设共享数据区是文件。这些读者和写者对数据区的操作必须满足以下条件：读—读允许；读—写互斥；写—写互斥。这些条件具体来说就是：

（1）任意多的读进程可以同时读这个文件； （2）一次只允许一个写进程往文件中写；

（3）如果一个写进程正在往文件中写，禁止任何读进程或写进程访问文件； （4）写进程执行写操作前，应让已有的写者或读者全部退出。这说明当有读者在读文件时不允许写者写文件。 2.1.2 问题的解决方法 （1）读者优先

除了上述四个规则外，还增加读者优先的规定，当有读者在读文件时，对随后到达的读者和写者，要首先满足读者，阻塞写者。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。

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第2章 实验内容

2.2 算法分析

2.2.1 读者优先算法分析

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read_count，每一个读者到达时都要将read_count加1，退出时都要将read_count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read_count=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，read_count+1。同理，仅当在执行了read_count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read_count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h_mutex_read_count。每个读者在访问read_count之前执行P(h_mutex_read_count)，之后执行V(h_mutex_read_count)。

通过上述分析得到图2-1所示的算法描述，其中的数字表示语句对应的行号。

01 semaphore r_w_w=1; 02 semaphore h_mutex_read_count=1; 03 int read_count=0; 04 reader(){ 05 P(h_mutex_read_count); 06 if(read_count==0) P(r_w_w); 07 read_count++; 08 V(h_mutex_read_count);

3

16 writer(){ 17 P(r_w_w); 18 写文件; 19 V(r_w_w); 20 }

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