面向对象OS读者-写者问题

2.读者—写者问题
读者—写者问题（Readers-Writers problem）也是一个经典的并发程序设计问题，是经常出现的一种同步问题。

计算机系统中的数据（文件、记录）常被多个进程共享，但其中某些进程可能只要求读数据（称为读者Reader）；另一些进程则要求修改数据（称为写者Writer）。

就共享数据而言，Reader和Writer是两组并发进程共享一组数据区，要求：
（1）允许多个读者同时执行读操作；
（2）不允许读者、写者同时操作；
（3）不允许多个写者同时操作。

Reader和Writer的同步问题分为读者优先、弱写者优先（公平竞争）和强写者优先三种情况，它们的处理方式不同。

（1）读者优先。

对于读者优先，应满足下列条件：
如果新读者到：
①无读者、写者，新读者可以读；
②有写者等待，但有其它读者正在读，则新读者也可以读；
③有写者写，新读者等待。

如果新写者到：
①无读者，新写者可以写；
②有读者，新写者等待；
③有其它写者，新写者等待。

单纯使用信号量不能解决读者与写者问题，必须引入计数器rc 对读进程计数；
rc_mutex 是用于对计数器rc 操作的互斥信号量；write表示是否允许写的信号量；于是读者优先的程序设计如下：
int rc=0; //用于记录当前的读者数量
semaphore rc_mutex=1; //用于对共享变量rc 操作的互斥信号量
semaphore write=1; //用于保证读者和写者互斥地访问的信号量
void reader() /*读者进程*/
do{
P(rc_mutex); //开始对rc共享变量进行互斥访问
rc ++; //来了一个读进程，读进程数加1
if (rc==1) P(write)；//如是第一个读进程，判断是否有写进程在临界区，
//若有，读进程等待，若无，阻塞写进程
V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问
读文件；
P(rc_mutex); //开始对rc共享变量的互斥访问
r c--; //一个读进程读完，读进程数减1
if (rc == 0) V(write)；//最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程//需要
进入临界区，若有，唤醒一个写进程进临界区
V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问
} while(1)
void writer() /*写者进程*/
do{
P(write); //无读进程，进入写进程；若有读进程，写进程等待写文件;
V(write); //写进程完成；判断是否有读进程需要进入临界区，
//若有，唤醒一个读进程进临界区
} while(1)
读者优先的设计思想是读进程只要看到有其它读进程正在读，就可以继续进行读；写进程必须等待所有读进程都不读时才能写，即使写进程可能比一些读进程更早提出申请。

该算法只要还有一个读者在活动，就允许后续的读者进来，该策略的结果是，如果有一个稳定的读者流存在，那么这些读者将在到达后被允许进入。

而写者就始终被挂起，直到没有读者为止。

（2）写者优先1。

为了解决以上问题，写者优先1的设计思想是在一个写者到达时如果有正在工作的读者，那么该写者只要等待正在工作的读者完成，而不必等候其后面到来的读者就可以进行写操作。

注意，该算法当一个写者在等待时，后到达的读者是在写者之后被挂起，而不是立即允许进入。

在读者优先的算法的基础上增加了一个排队信号量read，读、写进程在每次操作前都要等待read信号量。

写者优先1的程序设计如下：
int rc=0; //用于记录当前的读者数量
semaphore rc_mutex=1; //用于对共享变量rc 操作的互斥信号量
semaphore write=1; //用于保证读者和写者互斥地访问的信号量
semaphore read=1; //用于保证在写进程封锁其后续的读进程的信号量
void reader() /*读者进程*/
do{
P(read); //若有写进程，后续读进程等待，在read队列上排队P(rc_mutex); //开始对rc共享变量进行互斥访问
rc++; //来了一个读进程，读进程数加1
if rc=1 then P(write); //第一个读进程需要判断是否有写进程在临界区，若有，
//读进程需要等待，若没有，阻塞写进程
V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问
V(read);//从read队列中唤醒一个进程
Reading the file;
P(rc_mutex); //开始对rc共享变量的互斥访问
rc--; //一个读进程读完，读进程数减1
if rc=0 then V(write); //最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程
/ //需要进入临界区，若有，唤醒一个写进程进临界区V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问
}
void writer() /*写者进程*/
do{ P(read); //无读进程，写进程进入；有读进程，在read排队，其后
//到来的读进程排在该队列写者之后
P(write); //若有读进程在读，等待现有读进程读完才可写
Writeing the file;
V(write); //写进程完成；判断是否有读进程需要进入临界区，若有，
//唤醒一个读进程进临界区
V(read); //从read队列中唤醒一个进程
注意，该算法当第一个写者已经P(read)后，read变为0，来了N个读者，他们都停留在它的P(read)这一句。

那么会出现什么问题呢？此时，如果原来的写者完成了，紧接又来了一个写者，写者需要P(read)。

这个时候，由于N个读者都已经在这个写者之前P(read)了，所以这个写者需要排队排在这N个读者分别都得到P(read)后才能得到执行，这个就不是写者优先了，而是读者写者公平竞争。

（3）写者优先2。

为了保证写者相对于读者的优先,需要提高写者进程的优先级。

这里除增加一个排队信号量read，让读者和写者在读写之前都在此信号量上排队。

还需增加一个信号量write_first，来保证写者优先。

写者优先2的程序设计如下：
int rc, wc = 0; //用于读者，写者的计数
semaphore read, write = 1; //用于读进程和写进程的互斥信号量
semaphore rc_mutex, wc_mutex, write_first = 1;//用于读时、写时和写者优先的互斥
void reader(){ /*读者进程*/
while(1){
P(write_first); //用来保证写者优先。

若有写进程，第二个后的读者等待在这P(read); //若有写进程，第一个读进程等待；若无写进程，读进程进入P(rc_mutex); //开始对rc共享变量进行互斥访问
rc++; //更新读进程数
if (rc==1) P(write); //第一个读进程需要判断是否有写进程在临界区，若有，读进程
//等待，若无，阻塞写进程
V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问
V(read); //从read队列中唤醒一个进程
V(write_first);
doReading();
P(rc_mutex); //开始对rc共享变量进行互斥访问
rc--; //更新读进程数量
if (rc==0) V(write); //最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程
//需要进入临界区，若有，唤醒一个写进程进临界区V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问
}
}
void writer(){ /*写者进程*/
while(1){
P(wc_mutex); //开始对wc共享变量进行互斥访问
wct++; //更新写进程数
if (wc==1) P(read); //第一个写进程需要判断是否有读进程在临界区，若有，写进程
//阻塞，若无，阻塞新的读进程
V(wc_mutex); //结束对wc共享变量的互斥访问
P(write); //限制同一时刻只能有一个写进程进行写操作do writing();
V(write); //结束对写操作的限制
P(wc_mutex); //开始对wc的互斥访问
wc--; //更新写进程数量
if (wc==0) V(read); //最后一个离开临界区的写进程需要判断是否有读进程需要
//进入，若有，唤醒一个读进程进入临界区
V(wc_mutex); //结束对wc的互斥访问
}
}
这里write_first的设立是为了保证写者优先。

因为write_first的初值是1，在读进程，执行完P(write_first)后等在P(read)这一句的读者最多只有1个。

对于read信号量，每个读进程最开始都要申请一次，之后在真正做读操作前即让出，这使得写进程可以随时申请到read。

而写进程，只有第一个写进程需要申请read，之后就
一直占着不放了，直到所有写进程都完成后才让出。

等于只要有写进程提出申请就禁止读进程在read信号量上排队。

假设一个写进程正在写时，接着后续有n个读者正在等待，这时又有一个新的写者要写，比较一下写者优先1和写者优先2的情况：写者优先1新来的写者需要等待n+1次V（read）操作，而写者优先2新来的写者只需等待2次V（read）操作，变相提高了写进程的优先级。