操作系统课程设计--读者-写者问题

操作系统课程设计报告

一、操作系统课程设计任务书

读者-写者问题实现

1设计目的

通过实现经典的读者写者问题，巩固对线程及其同步机制的学习效果，加深对相关基本概念的理解，并学习如何将基本原理和实际设计有机的结合。

2 设计要求

在Windows 2000/XP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写者优先的读者-写者问题。

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

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：要求在每个线程创建、发出读写操作申请、开始读写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。

3 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，该操作持续相应时间后结束，并释放共享资源。下面是一个测试数据文件的例子：

1 r 3 5

2 w 4 5

3 r 5 2

4 r 6 5

5 w 5.1 3

4 相关API函数

CreateThread()在调用进程的地址空间上创建一个线程ExitThread()用于结束当前线程

Sleep()可在指定的时间内挂起当前线程

CreateMutex()创建一个互斥对象，返回对象句柄

OpenMutex()打开并返回一个已存在的互斥对象句柄，用于后续访问

ReleaseMutex()释放对互斥对象的占用，使之成为可用WaitForSingleObject()可在指定的时间内等待指定对象为可用状态

InitializeCriticalSection()初始化临界区对象EnterCriticalSection()等待指定临界区对象的所有权LeaveCriticalSection()释放指定临界区对象的所有权

文件系统的设计

通过对文件系统的设计，加深理解文件系统的内部功能及内部实现。文件系统的设计内容较多，可划分为：子目录管理、目录项结构、文件分配表（FAT）作用、创建文件、文件复制、文件头结构、程序加载方法、内存驻留（TSR）方法等，学生可相互配合，每人选做其中的某个部分。

（一）、子目录管理

1、目的：了解并掌握DOS创建和撤消子目录的方法及有关子目录操作的系统功能。

2、内容：用DOS功能调用39H和3AH来创建和撤消子目录，以及用3BH来改变当前目录。

(1)创建指定子目录

(2)撤消子目录

（二）、目录项结构

1、目的：了解目录项中文件属性的含义及如何修改文件属性的方法。

2、内容：用DOS功能调用43H来获取并修改文件属性。（三）、文件分配表（FAT）作用

1、目的：了解FAT作用，掌握通过FDT、FAT恢复被删除文件的方法，特别第二个FAT在恢复被删除文件中所起的作用。

2、内容：根据第二个FAT表，利用FDT的保留域快速恢复被删除文件。

（四）、创建文件

1、目的：了解如何在DOS下创建一个新文件以及由键盘上输入该文件内容的整个过程。

2、内容：由DOS功能调用建立一个文本文件，由键盘输入该文件内容。

（五）、文件复制

1、目的：掌握文件复制的一般方法及DOS文件管理功能调用的使用。

2、内容：

（1）读一个文本文件的内容，将该文件内容拷贝到另一个文件中。

（2）读源文件内容送入内存缓冲区，将缓冲区内容写入目的文件上，从而完成文件的拷贝。

（六）、文件头结构

1、目的：进一步了解EXE文件特点，掌握EXE文件添加程序的方法。

2、内容：给任意一个EXE文件添加一段程序。

（七）、程序加载方法

1、目的：了解在当前程序中加载其他程序的一般方法;加深对EXEC功能调用的掌握；了解FCB的文件操作方式；了解内存管理功能调用。

2、内容：在当前程序中调用DOS的EXEC功能，加载执行其他应用程序。

（八）、内存驻留（TSR）方法

1、目的：掌握程序驻留内存的方法，了解如何用“热键”控制所需操作及对系统时钟的获取。

2、内容：在图形模式下的屏幕右上角“弹出”一个时钟窗口，显

示出系统当前时钟的“时：分：秒”值；如果不想让时钟显示，则只要同时按下左SHIFT键和右SHIFT键，再按下ENTER健，则此时窗口被关闭；如果再想让时钟显示，只要再次同时按下左SHIFT键和右SHIFT键即可。

二、设计思路

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。

读者优先：

如果没有写者正在操作，则读者不需要等待，用一个整型变量readcount记录当前的读者数目，用于确定是否释放写者线程，（当readcout=0 时，说明所有的读者都已经读完，释放一个写者线程），每个读者开始读之前都要修改readcount,为了互斥的实现对readcount 的修改，需要一个互斥对象Mutex来实现互斥。

另外，为了实现写-写互斥，需要一个临界区对象write,当写者发出写的请求时，必须先得到临界区对象的所有权。

通过这种方法，可以实现读写互斥，当readcount=1 时，（即第一个读者的到来时，），读者线程也必须申请临界区对象的所有权.

当读者拥有临界区的所有权，写者都阻塞在临界区对象write上。当写者拥有临界区对象所有权时，第一个判断完readcount==1 后，其余的读者由于等待对readcount的判断，阻塞在Mutex上！

写者优先：

写者优先和读者优先有相同之处，不同的地方在：一旦有一个写者到来时，应该尽快让写者进行写，如果有一个写者在等待，则新到的读者操作不能读操作，为此添加一个整型变量writecount,记录写者的数目，当writecount=0时才可以释放读者进行读操作！为了实现对全局变量writecount的互斥访问，设置了一个互斥对象Mutex3。

为了实现写者优先，设置一个临界区对象read,当有写者在写或等待时，读者必须阻塞在临界区对象read上。

读者除了要一个全局变量readcount实现操作上的互斥外，还需要一个互斥对象对阻塞在read这一个过程实现互

斥，这两个互斥对象分别为mutex1和mutex2。

程序结构

主要代码进行分析：

1、临界区：

CRITICAL_SECTION RP_Write; //临界区

CRITICAL_SECTION RP_Write_Reader;

临界区（Critical Section）是一段独占对某些共享资源访问的代码，在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到用原子方式操作共享资源的目的。

临界区在使用时以CRITICAL_SECTION结构对象保护共享资源，并分别用EnterCriticalSection（）和LeaveCriticalSection（）函数去标识和释放一个临界区。所用到的CRITICAL_SECTION