1、1网络操作系统课程设计报告题 目 Linux 下读者与写者的问题实现姓 名 钱兵 学 号 10114036 同 组 者 张玉洁 专 业 网络工程 2 班指导教师 陈卫 成 绩 网络工程系2013 年 1 月 1 日2目录1. 设计目的与要求 .P32 设计思想 P33. 设计分析 .P34 程序实现 P55、 设计原理 P66.程序调试 P77.源程序代码.P88. 程序测试结果 P129心得与体会 . P1310参考文献 .P133一、设计目的与要求 l. 用信号量来实现读者写者问题。2.理解和运用信号量、PV 原语、进程间的同步互斥关系等基本知识。读者写者问题的定义如下：有一个许多进程共享
2、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：（1）任意多个读进程可以同时读这个文件；（2）一次只有一个写进程可以往文件中写；（3）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。2、设计思想读者写者问题可以这样的描述
3、, 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 ,读者比写者优先,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 来确定当前是否可操作。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。三、设计分析3.1 在 linux 环境下，使用多线程和信号量机制实现经典的读者写者问题，每个线程代表一个读者或一个写者。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
4、写者优先的读者-写者问题。4读者-写者问题的读写操作限制：(1)写-写互斥，即不能有两个写者同时进行写操作(2)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(3)读-读允许，即可以有二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：1) 任意多个读进程可以同时读这个文件； 2) 一
5、次只有一个写进程可以往文件中写；3）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。读者优先的附加限制：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。写者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一写者在等待访问共享资源，则该读者必须等到没有写者处于等待状态后才能开始读操作。运行结果显示要求：要
6、求在每个线程创建、发出读写操作申请、开始读写5操作和结束读写操作时分别显示一行提示信息，以确信所有处理都遵守相应的读写操作限制4.2、 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，
7、该操作持续相应时间后结束，并释放共享资源。一个测试数据文件的例子：1 R 3 52 W 4 53 R 5 24 R 6 55 W 5.1 3四 程序实现 程序由两部分组成：1。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。2。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 系统初始
8、化模块6管道建立模块进程启动模块命令解释模块Wait()Signal()Wakeup()Block()五、设计原理3.1.1 读者优先算法：设置两个互斥信号量：rwmutex 用于写者与其他读者/写者互斥的访问共享数据rmutex 用于读者互斥的访问读者计数器 readcountsemaphore rwmutex=1, rmutex=1;int readcount = 0; reader i /读者进程 i=1,2,. doP(rmutex); /读者互斥readcount+; /读者数加 1if (readcount = 1) P(rwmutex); /读者写者互斥 V(rmutex); 读
9、者读数据;P(rmutex); Readcount-; if (readcount = 0) V(rwmutex); V(rmutex);while(1); writer j /写者进程 j = 1,2,. do7P(rwmutex); 写文件； V(rwmutex); while(1); 3.2.1 写者优先算法：设置三个互斥信号量：rwmutex 用于写者与其他读者/写者互斥的访问共享数据rmutex 用于读者互斥的访问读者计数器 readcount nrmutex 用于写者等待已进入读者退出，所有读者退出前互斥写操作semaphore rwmutex= 1，rmutex= 1，nrmut
10、ex= 1; int readcount = 0;reader i /读者进程 i=1,2,.doP(rwmutex); P(rmutex); readcount+;if (readcount = 1) P(nrmutex); /有读者进入，互斥写操作V(rmutex);V(rwmutex);/及时释放读写互斥信号量，允许其它读、写进程申请资源读数据;P(rmutex);readcount-;if (readcount = 0) V(nrmutex); /所有读者退出，允许写更新V(rmutex);while(1);writer j /写者进程 j = 1,2,.doP(rwmutex); /
11、 互斥后续其它读者、写者P(nrmutex); /如有读者正在读，等待所有读者读完写更新；V(nrmutex); /允许后续新的第一个读者进入后互斥写操作V(rwmutex); /允许后续新读者及其它写者while(1);六 程序调试测试数据文件格式: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8（单位为秒）后发出对共享资源的
12、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。七、源程序代码#include #include #include #include #include #include #define MAX_PERSON 100#define c 0 /读者#define p 1 /写者#define END -1#define R c#define W p typedef struct _Person HANDLE m_hThread; /定义处理线程的句柄int m_nType; /进程类型(读写)int m
13、_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, R, 3, 5, 2, W, 4, 5, 3, R, 5, 2, 4, R, 6, 5, 5, W, 5,1, 3; int g_NumOfReading = 0;int g_NumOfWriteRequest = 0; /申请写进程的个数 HANDLE g_
14、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 lpP
15、aram);9DWORD 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 100 g_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); / 创建所有的读者和写者printf(“Created all the reader and w
16、ritern.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 = Create
17、Reader(pList2,pList3,pList0); break; case W: Ret = CreateWriter(pList2,pList3,pList0);break; if(!Ret) printf(“Create Person %d is wrongn“,pList0); pList += 4; / move to next person list DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam) /读过程 Person *pPerson = (Person*)lpParam; / wait for the start timewhile(g_
18、CurrentTime != pPerson-m_nStartTime) 10 printf(“Reader%disRequesting .n“,pPerson-m_nID);printf(“nn*n“); / wait for the write request WaitForSingleObject(g_hReadSemaphore,INFINITE); if(g_NumOfReading=0) WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE); g_NumOfReading+; ReleaseSemaphore(g_hReadSemaphor
19、e,1,NULL); pPerson-m_nStartTime = g_CurrentTime;printf(“Reader %d is Reading the Shared Buffer.n“,pPerson-m_nID); printf(“nn*n“); while(g_CurrentTime m_nStartTime + pPerson-m_nWorkTime) printf(“Reader %d is Exit.n“,pPerson-m_nID); printf(“nn*n“); WaitForSingleObject(g_hReadSemaphore,INFINITE); g_Num
20、OfReading-; 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 sta
21、rt 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 time pPerson-m_nStartTime = g_CurrentTime; printf(“Writer %d is Writting the Shared Buffer.n“,pPerso
22、n-m_nID); while(g_CurrentTime m_nStartTime + pPerson-m_nWorkTime) 11printf(“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,in
23、t WorkTime,int ID) /写过程 DWORD dwThreadID; if(g_NumPerson = MAX_PERSON) return false; Person *pPerson = pPerson-m_nID = ID;pPerson-m_nStartTime = StartTime; pPerson-m_nWorkTime = WorkTime; pPerson-m_nType = c;g_NumPerson+; / 创建一个新的线程 pPerson-m_hThread=CreateThread(NULL,0,ReaderProc,(LPVOID)pPerson,0,
24、 if(pPerson-m_hThread = NULL) return false; return true; bool CreateWriter(int StartTime,int WorkTime,int ID) DWORD dwThreadID; if(g_NumPerson = MAX_PERSON) return false; Person *pPerson = pPerson-m_nID = ID; pPerson-m_nStartTime = StartTime;pPerson-m_nWorkTime = WorkTime;pPerson-m_nType = p;g_NumPe
25、rson+; / 创建一个新的线程 pPerson-m_hThread= CreateThread(NULL,0,WriterProc,(LPVOID)pPerson,0,if(pPerson-m_hThread = NULL) return false; return true; 12八、程序测试结果13九、心得与体会这一次课程设计，让我体会很深刻。总的感觉，学到了很多知识，特别对于 linux 有了全面的接触和了解，也开始对 linux 产生了兴趣，它所开放的源码的确为学计算机的同志们提供了很好的平台。读者- 写者问题经典的线程同步问题的一个模型。经过读者写者问题的编写，我对同步机构应用有了深入的了解。懂得了运用信号量实现进程间的互斥。实现了不让共享资源同时修改。用信号量上的原语操作使临界段问题的解决比较简单明了了。读者写者问题的编写，花的时间很多，也学到很多东西。了解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信号量机制。几天的试验，虽然难度有点大，但只要自己花时间去学习，还是会攻克困难的。总之每一次课程设计不仅是我们学习的好机会，而且是我们锻炼实际动手能力的平台，能够磨练人的意志与耐心。十 参考文献1 谭浩强.C+程序设计北京：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 . 2006.9
