武汉理工 操作系统 课程设计

课程设计

题目实现读者写者(Reader-Writer Problem)

问题

学院计算机科学与技术学院

专业软件工程

班级

姓名

指导教师刘军

2 0 1 2 ——2 0 1

3 学年第二学期

目录

一、设计题目与要求 (1)

二、总的设计思想及系统平台、语言、工具等 (1)

2、1问题简介 (1)

2、2初始条件 (1)

2、3总的设计思想 (2)

三、数据结构与模块说明（功能与流程图） (2)

3、1算法与数据结构 (2)

3、2功能模块描述 (4)

四、运行结果与运行情况 (7)

五、调试记录 (8)

六、自我评价与总结 (9)

七、参考文献 (9)

八、源程序 (10)

本科生课程设计成绩评定表 (17)

一、设计题目与要求

题目：通过研究Linux的线程机制和信号量实现读者写者(Reader-Writer)问题并发控制。

要求：每人一台与Linux主机联网的Windows主机，普通用户权限。

二、总的设计思想及系统平台、语言、工具等

2、1问题简介

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。

2、2初始条件

操作系统：Windows

程序设计语言：C++语言

设有20个连续的存储单元，写入/读出的数据项按增设定为1-20这20个字

符。为每个读者／写者产生一个线程，设计正确的同步算法，使得每个读者/写者对该存储区进行操作后，即时显示该存储区的全部内容、当前指针位置和读者/写者线程的自定义标识符。同时，需满足读者应有3个以上，写者应有两个以上。多个读者/写者之间须共享对存储区进行操作的函数代码。

2、3总的设计思想

读者-写者的读写限制（包括读者优先和写者优先）

（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：

（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。

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。

程序由三部分组成：

（1）读者模块：包括系统调用接口，读者活动描述主程序。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。

（2）写者模块：包括系统调用接口，写者活动描述主程序。

读者-写者活动程序根据临界资源的共享，互斥原则编制。

（3）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。三、数据结构与模块说明（功能与流程图）

3、1算法与数据结构

创建Person结构体

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_nStartTime; //开始时间

int m_nWorkTime; //运行时间

int m_nID; //进程号

}Person;

int g_PersonLists[] = { //进程队列

1, W, 4, 5, 2, W, 16, 4, 3, R, 5, 2,

4, W, 6, 5, 5, R, 4, 3,

END,

};

Var RN integer;L,mx:semaphore: =RN,1；

Begin

Parbegin

Reader :begin

Repeat

Swait（L,1,1）;

Swait（mx,1,0）;

.

Perform reader operation;

Ssignal(L,1);

Until false;

End

Writer ：begin

Repeat

Swait(mx ,1,1,l,RN,0);

Perform writer operation;

Ssignal(mx,1);

Until false;

End

Parend

End

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。

3、2功能模块描述

void CreatePersonList(int *pPersonLists)

{

int i=0;

int*pList = pPersonLists;

bool Ret;

while(pList[0] != END)

{

switch(pList[1])

{

case R:

Ret = CreateReader(pList[2],pList[3],pList[0]);//351,w452,523,654

break; case W:

Ret = CreateWriter(pList[2],pList[3],pList[0]);

break;

}

DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam)//读过程{

Person *pPerson = (Person*)lpParam;

// wait for the start time

while(g_CurrentTime != pPerson->m_nStartTime)

{ }

WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE); // modify the writer's real start time

pPerson->m_nStartTime = g_CurrentTime;

DWORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam) {

Person *pPerson = (Person*)lpParam;

// wait for the start time

while(g_CurrentTime != pPerson->m_nStartTime) {}

四、运行结果与运行情况

图1、写者6申请资源，读者5、3申请资源

图2、写者4申请资源而写者1退出

图3、读者3和5依次推出，写者2申请资源

图4、读者6申请资源，写者4退出

五、调试记录

虽然在做实验时已经练习过相关编程，但是在课程设计上还是犯了许多错误。现挑几条分享，其余错误犯得有点低级，在此不再赘述。

（1）在定义Person结构体时，有些变量没有考虑到，比如处理线程的句柄以及进程类型。

（2）问题：error C2501: 'HANDLE' : missing storage-class or type specifiers error C2146: syntax error : missing ';' before identifier 'g_hReadSemaphore'

解决：这是缺少了头文件而产生的错误，加入头文件#include 即可

（3）问题：error C2440: 'initializing' : cannot convert from 'void *' to 'struct

_Person *'

解决：可利用强制类型转换，加入(Person*)

（4）问题：error C2065: 'Waitforsingleobject' : undeclared identifier

解决：本来以为没有定义，可自己记得此函数已经封装好了。后来一想，

应该是大小写的问题。C++对大小写有严格的要求，事实上，在此过程中，这种错误犯了许多，引起了我的注意。

(5)问题：fatal error C1010: unexpected end of file while looking for precompiled header directive

解决：编译出错。右键单击项目工程中的cpp文件，在菜单

Project->Settings->C/C++->Precompile Header，设置为第一项：Not using precompile headers。

（6）在整个编程过程中，最让人头痛的就是理解各个调用函数的参数及用法，在上网准备了好几天之后，终于有所收获。最后编程时，参考了网上的相关程序并有所改进。

六、自我评价与总结

通过此次课程设计，使我更加扎实地掌握了有关“读者-写者问题”实现的方法，系统地理解和掌握C++语言的基本概念、语言特点和编程技巧，在应用C++语言在程序设计方面得到系统锻炼，为将来进行软件开发打下良好基础。。“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。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查，终于找出了原因之所在，也暴露出了前期我在这方面知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自查阅资料和动手设计，使我掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉，在课程设计过程中我不断发现错误不断改正，不断领悟，不断获取。

这次课程设计终于顺利结束了，在设计过程中，我不仅巩固了以前所学过的知识，而且在实践的过程中学到了很多在书本上没有学到过的知识，更让我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有这样才能更好地提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

当然，要感谢在此过程中同学以及热心网友的帮助，他们帮我介绍了许多函数方面的应用知识。感谢！

七、参考文献

【1】Operating System Concepts(Sixth Edition)（操作系统概念）影印版，Abraham Silberschatz ，高等教育出版社，2003年10月

【2】计算机操作系统教程(第三版)，张尧学主编，清华大学出版社，2001年7月

【3】操作系统原理(第三版)，庞丽娟主编，华中科技大学出版社，2000年12月

八、源程序

#include

#include

#define MAX_PERSON 100

#define READER 0 //读者

#define WRITER 1 //写者

#define END -1

#define R READER

#define W WRITER

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_nStartTime; //开始时间

int m_nWorkTime; //运行时间

int m_nID; //进程号

}Person;

Person g_Persons[MAX_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);

*/

//读者线程执行过程

DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam)//读过程

{

Person *pPerson = (Person*)lpParam;

// wait for the start time

while(g_CurrentTime != pPerson->m_nStartTime)

{ }

printf("Reader %d is Requesting ...\n",pPerson->m_nID);

printf("\n\n************************************************\n");

// wait for the write request

WaitForSingleObject(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_nID);

printf("\n\n************************************************\n");

while(g_CurrentTime <= pPerson->m_nStartTime + pPerson->m_nWorkTime)

{}

printf("Reader %d is Exit...\n",pPerson->m_nID);

printf("\n\n************************************************\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;

}

//创建读者线程

bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID)

{

DWORD dwThreadID;

if(g_NumPerson >= MAX_PERSON)

return false;

Person *pPerson = &g_Persons[g_NumPerson];

pPerson->m_nID = ID;

pPerson->m_nStartTime = StartTime;

pPerson->m_nWorkTime = WorkTime;

pPerson->m_nType = READER;

g_NumPerson++;

// Create an New Thread

pPerson->m_hThread=

CreateThread(NULL,0,ReaderProc,(LPVOID)pPerson,0,&dwThreadID);

if(pPerson->m_hThread == NULL)

return false;

return true;

}

//写者线程执行过程

DWORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam)

{

Person *pPerson = (Person*)lpParam;

// wait for the start time

while(g_CurrentTime != pPerson->m_nStartTime)

{}

printf("Writer %d is Requesting ...\n",pPerson->m_nID);

printf("\n\n************************************************\n");

WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE);

// modify the writer's real start time

pPerson->m_nStartTime = g_CurrentTime;

printf("Writer %d is Writting the Shared Buffer...\n",pPerson->m_nID);

while(g_CurrentTime <= pPerson->m_nStartTime + pPerson->m_nWorkTime)

{}

printf("Writer %d is Exit...\n",pPerson->m_nID);

printf("\n\n************************************************\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;

}

//创建写者线程

bool CreateWriter(int StartTime,int WorkTime,int ID)

{

DWORD dwThreadID;

if(g_NumPerson >= MAX_PERSON)

return false;

Person *pPerson = &g_Persons[g_NumPerson];

pPerson->m_nID = ID;

pPerson->m_nStartTime = StartTime;

pPerson->m_nWorkTime = WorkTime;

pPerson->m_nType = WRITER;

g_NumPerson++;

// Create an New Thread

pPerson->m_hThread=

CreateThread(NULL,0,WriterProc,(LPVOID)pPerson,0,&dwThreadID);

if(pPerson->m_hThread == NULL)

return false;

return true;

}

// 创建线程队列

void CreatePersonList(int *pPersonLists)

{

int i=0;

int *pList = pPersonLists;

bool Ret;

while(pList[0] != END)

{

switch(pList[1])

{

case R:

Ret = CreateReader(pList[2],pList[3],pList[0]);//351,w452,523,654 break; case W:

Ret = CreateWriter(pList[2],pList[3],pList[0]);

break;

}

if(!Ret)

printf("Create Person %d is wrong\n",pList[0]);

pList += 4; // move to next person list

}

}

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100 CreatePersonList(g_PersonLists); // Create All the reader and writers printf("Created all the reader and writer\n...\n");

g_CurrentTime = 0;

while(true)

{

g_CurrentTime++;

Sleep(300); // 300 ms

printf("CurrentTime = %d\n",g_CurrentTime);

if(finished) return 0;

} // return 0;

}

本科生课程设计成绩评定表

班级：软件ZY11101班姓名：赵洪涛学号：0121110680225

及格（60-69分）、60分以下为不及格

指导教师签名：______________