操作系統(tǒng)課程設(shè)計-- linux下讀者與寫者的問題實現(xiàn)

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1、　　《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》　　課程設(shè)計報告　　題目 Linux下讀者與寫者的問題實現(xiàn)　　網(wǎng)絡(luò)工程系　　2013年 1 月1日&

2、lt;/p>　　目錄　　1. 設(shè)計目的與要求 .......................................P3　　2．設(shè)計思想 ............................................ P3

3、　3. 設(shè)計分析 .............................................P3　　4．程序?qū)崿F(xiàn) ............................................ P5　　5、設(shè)計原理.............................................. P6<

4、/p>　　6.程序調(diào)試 ................................................P7　　7.源程序代碼...............................................P8　　8. 程序測試結(jié)果 ..............................

5、..........P12　　9．心得與體會 ....................................... ....P13　　10．參考文獻(xiàn) .............................................P13　　一、設(shè)計目的與要求 <p

6、>　　l. 用信號量來實現(xiàn)讀者寫者問題。　　2.理解和運用信號量、PV原語、進(jìn)程間的同步互斥關(guān)系等基本知識。　　讀者寫者問題的定義如下：有一個許多進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)區(qū)，這個數(shù)據(jù)區(qū)可以是一個文件或者主存的一塊空間；有一些只讀取這個數(shù)據(jù)區(qū)的進(jìn)程（Reader）和一些只往數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)的進(jìn)程(Writer)，此外還需要滿足以下條件：&l

7、t;p>　　（1）任意多個讀進(jìn)程可以同時讀這個文件；　?。?）一次只有一個寫進(jìn)程可以往文件中寫；　?。?）如果一個寫進(jìn)程正在進(jìn)行操作，禁止任何讀進(jìn)程度文件。　　我們需要分兩種情況實現(xiàn)該問題：　　讀優(yōu)先：要求指一個讀者試圖進(jìn)行讀操作時，如果這時正有其他讀者在進(jìn)行操作，

8、他可直接開始讀操作，而不需要等待。　　寫優(yōu)先：一個讀者試圖進(jìn)行讀操作時，如果有其他寫者在等待進(jìn)行寫操作或正在進(jìn)行寫操作，他要等待該寫者完成寫操作后才開始讀操作。　　設(shè)計思想　　讀者寫者問題可以這樣的描述, 有一群寫者和一群讀者, 寫者在寫同一本書, 讀者也在讀這本書, 多個讀

9、者可以同時讀這本書。但是,只能有一個寫者在寫書, 并且,讀者比寫者優(yōu)先,也就是說，讀者和寫者同時提出請求時,讀者優(yōu)先。當(dāng)讀者提出請求時需要有一個互斥操作, 另外, 需要有一個信號量S來確定當(dāng)前是否可操作。　　本設(shè)計方案就是通過利用記錄型信號量對讀者寫者問題的解決過程進(jìn)行模擬演示，形象地闡述記錄型信號量機(jī)制的工作原理。　　三、設(shè)計分析&

10、lt;/b>　　3.1在linux環(huán)境下，使用多線程和信號量機(jī)制實現(xiàn)經(jīng)典的讀者寫者問題，每個線程代表一個讀者或一個寫者。　　每個線程按相應(yīng)測試數(shù)據(jù)文件的要求，進(jìn)行讀寫操作。請用信號量機(jī)制分別實現(xiàn)讀者優(yōu)先和寫者優(yōu)先的讀者-寫者問題。　　讀者-寫者問題的讀寫操作限制：

11、　(1)寫-寫互斥，即不能有兩個寫者同時進(jìn)行寫操作　　(2)讀-寫互斥，即不能同時有一個讀者在讀，同時卻有一個寫者在寫　　(3)讀-讀允許，即可以有二個以上的讀者同時讀　　將所有的讀者和所有的寫者分別放進(jìn)兩個等待隊列中，當(dāng)讀允許時就讓讀者隊列釋放一個或多個讀者，當(dāng)寫允許時，釋放第一個寫者操作。讀者寫者問題的定義如

12、下：有一個許多進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)區(qū)，這個數(shù)據(jù)區(qū)可以是一個文件或者主存的一塊空間；有一些只讀取這個數(shù)據(jù)區(qū)的進(jìn)程（Reader）和一些只往數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)的進(jìn)程(Writer)，此外還需要滿足以下條件：1)任意多個讀進(jìn)程可以同時讀這個文件；2) 一次只有一個寫進(jìn)程可以往文件中寫；3）如果一個寫進(jìn)程正在進(jìn)行操作，禁止任何讀進(jìn)程度文件。我們需要分兩種情況實現(xiàn)該問題：　　讀優(yōu)先：要求指一個讀者試圖進(jìn)行讀操作時，如

13、果這時正有其他讀者在進(jìn)行操作，他可直接開始讀操作，而不需要等待。寫優(yōu)先：一個讀者試圖進(jìn)行讀操作時，如果有其他寫者在等待進(jìn)行寫操作或正在進(jìn)行寫操作，他要等待該寫者完成寫操作后才開始讀操作。　　讀者優(yōu)先的附加限制：如果一個讀者申請進(jìn)行讀操作時已有另一讀者正在進(jìn)行讀操作，則該讀者可直接開始讀操作。　　寫者優(yōu)先的附加限制：如果一個讀者申請進(jìn)行讀操作時已有另一寫者

14、在等待訪問共享資源，則該讀者必須等到?jīng)]有寫者處于等待狀態(tài)后才能開始讀操作。　　運行結(jié)果顯示要求：要求在每個線程創(chuàng)建、發(fā)出讀寫操作申請、開始讀寫操作和結(jié)束讀寫操作時分別顯示一行提示信息，以確信所有處理都遵守相應(yīng)的讀寫操作限制　　4.2、測試數(shù)據(jù)文件格式　　測試數(shù)據(jù)文件包括n 行測試數(shù)據(jù)，分別描述創(chuàng)建的n 個線程

15、是讀者還是寫者，以及讀寫操作的開始時間和持續(xù)時間。每行測試數(shù)據(jù)包括四個字段，各字段間用空格分隔。第一字段為一個正整數(shù)，表示線程序號。第二字段表示相應(yīng)線程角色，R 表示讀者是，W 表示寫者。第三字段為一個正數(shù)，表示讀寫操作的開始時間。線程創(chuàng)建后，延時相應(yīng)時間（單位為秒）后發(fā)出對共享資源的讀寫申請。第四字段為一個正數(shù)，表示讀寫操作的持續(xù)時間。當(dāng)線程讀寫申請成功后，開始對共享資源的讀寫操作，該操作持續(xù)相應(yīng)時間后結(jié)束，并釋放共享資源。</

16、p>　　一個測試數(shù)據(jù)文件的例子：　　1 R 3 5　　2 W 4 5　　3 R 5 2　　4 R 6 5<

17、/b>　　5 W 5.1 3　　四程序?qū)崿F(xiàn) 　　程序由兩部分組成：　　1。讀者-寫者模塊：包括系統(tǒng)調(diào)用接口，讀者-寫者活動描述主程序。系統(tǒng)

18、接口主要功能是通過管道向父進(jìn)程發(fā)送系統(tǒng)調(diào)用命令，并讀取父進(jìn)程送來的返回值。　　讀者-寫者活動程序根據(jù)臨界資源的共享，互斥原則編制，具體見源程序。　　2。主控模塊：主控模塊實現(xiàn)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)調(diào)用命令接收與解釋執(zhí)行，系統(tǒng)調(diào)用功能的實現(xiàn)（包括信號量機(jī)制），及讀者-寫者活動過程記錄與顯示。　　初始化系統(tǒng)環(huán)境 &

19、#160; 　　建立通信管道 　　啟動讀者-寫者進(jìn)程 　　接收系統(tǒng)調(diào)用命令　　解釋執(zhí)行 &

20、#160;　　五、設(shè)計原理　　3.1.1 讀者優(yōu)先算法：　　設(shè)置兩個互斥信號量：　　rwmutex 用于寫者與其他讀者/寫者互斥的訪問共享數(shù)據(jù)rmutex 用于讀者互斥的訪問</p&

21、gt;　　讀者計數(shù)器 readcount　　semaphore rwmutex=1, rmutex=1;　　int readcount = 0; 　　reader i //讀者進(jìn)程 i=1,2,….

22、 　　do{　　P(rmutex); //讀者互斥　　readcount++; //讀者數(shù)加1　　if (readcount == 1) P(rwmutex); //讀者寫者

23、互斥 　　V(rmutex); 　　讀者讀數(shù)據(jù);　　P(rmutex); 　　Readcount--; 　　if (readcount == 0) V(rwmutex

24、); 　　V(rmutex);　　}while(1); 　　writer j //寫者進(jìn)程 j = 1,2,…. </p

25、>　　do{　　P(rwmutex); 　　寫文件； 　　V(rwmutex); <

26、/p>　　}while(1); 　　3.2.1 寫者優(yōu)先算法：　　設(shè)置三個互斥信號量：　　rwmutex 用于寫者與其他讀者/寫者互斥的訪問共享數(shù)據(jù)　　rmutex 用于讀者互斥的訪問

27、　　讀者計數(shù)器readcount 　　nrmutex 用于寫者等待已進(jìn)入讀者退出，所有讀者退出前互斥寫操作　　semaphore rwmutex= 1，rmutex= 1，nrmutex= 1; 　　int readcount = 0;　　reader i&#

28、160; //讀者進(jìn)程 i=1,2,….　　do{　　P(rwmutex); 　　P(rmutex); 　　readcount++;&l

29、t;p>　　if (readcount == 1) P(nrmutex); //有讀者進(jìn)入，互斥寫操作　　V(rmutex);　　V(rwmutex);//及時釋放讀寫互斥信號量，允許其它讀、寫進(jìn)程申請資源　　讀數(shù)據(jù);　　P(r

30、mutex);　　readcount--;　　if (readcount == 0) V(nrmutex); //所有讀者退出，允許寫更新　　V(rmutex);　　}while(1);　　writer j //寫者進(jìn)程 j

31、 = 1,2,….　　do{　　P(rwmutex); // 互斥后續(xù)其它讀者、寫者　　P(nrmutex); //如有讀者正在讀，等待所有讀者讀完　　寫更新；</p

32、>　　V(nrmutex); //允許后續(xù)新的第一個讀者進(jìn)入后互斥寫操作　　V(rwmutex); //允許后續(xù)新讀者及其它寫者　　}while(1);　　六程序調(diào)試&

33、lt;b>　　測試數(shù)據(jù)文件格式:　　測試數(shù)據(jù)文件包括n 行測試數(shù)據(jù)，分別描述創(chuàng)建的n 個線程是讀者還是寫者，以及讀寫操作的開始時間和持續(xù)時間。每行測試數(shù)據(jù)包括四個字段，各字段間用空格分隔。第一字段為一個正整數(shù)，表示線程序號。第二字段表示相應(yīng)線程角色，R 表示讀者是，W 表示寫者。第三字段為一個正數(shù)，表示讀寫操作的開始時間。線程創(chuàng)建后，延時相應(yīng)時間（單位為秒）后發(fā)出對共享

34、資源的讀寫申請。第四字段為一個正數(shù)，表示讀寫操作的持續(xù)時間。當(dāng)線程讀寫申請成功后，開始對共享資源的讀寫操作，該操作持續(xù)相應(yīng)時間后結(jié)束，并釋放共享資源。　　七、源程序代碼　　#include <windows.h>　　#include <ctype.h>

35、 　　#include <stdio.h>　　#include <string.h> 　　#include <stdlib.h> 　　#include <malloc.h> 　　#d

36、efine MAX_PERSON 100　　#define c 0 //讀者　　#define p 1 //寫者　　#define END -1　　#define R c　　#define W p

37、　　typedef struct _Person { 　　HANDLE m_hThread; //定義處理線程的句柄　　int m_nType; //進(jìn)程類型(讀寫)　　int m_nStartTime; //開始時間<p&g

38、t;　　int m_nWorkTime; //運行時間　　int m_nID;//進(jìn)程號 　　}Person; 　　Person g_Persons[MAX_PERSON]; 　　int g_NumPerson = 0;&l

39、t;/p>　　long g_CurrentTime= 0; //基本時間片數(shù)　　int g_PersonLists[] = {//進(jìn)程隊列 　　1, R, 3, 5, 2, W, 4, 5, 3, R, 5, 2, 　　4, R, 6, 5, 5, W, 5,1, 3

40、　　}; 　　int g_NumOfReading = 0;　　int g_NumOfWriteRequest = 0; //申請寫進(jìn)程的個數(shù) 　　HANDLE g_hReadSemaphore; //讀者信號 <

41、;/p>　　HANDLE g_hWriteSemaphore; //寫者信號　　bool finished = false; //所有的讀完成 　　//bool wfinished = false; //所有的寫完成 　　void C

42、reatePersonList(int *pPersonList); 　　bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID); 　　bool CreateWriter(int StartTime,int WorkTime,int ID); 　　DWORD WI

43、NAPI ReaderProc(LPVOID lpParam);　　DWORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam);　　int main() 　　{ 　　g_hReadSemaphore = Creat

44、eSemaphore(NULL,1,100,NULL); //創(chuàng)建信號燈,當(dāng)前可用的資源數(shù)為 1,最大為100 　　g_hWriteSemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,100,NULL); //創(chuàng)建信號燈,當(dāng)前可用的資源數(shù)為 1,最大為100　　CreatePersonList(g_PersonLists);

45、 // 創(chuàng)建所有的讀者和寫者　　printf("Created all the reader and writer\n...\n"); 　　g_CurrentTime = 0; 　　while(true) 　　{ </b&g

46、t;　　g_CurrentTime++; 　　Sleep(300); // 300 ms　　printf("CurrentTime = %d\n",g_CurrentTime); 　　if(finished) return 0;

47、　　} // return 0; 　　}　　void CreatePersonList(int *pPersonLists) 　　{　　int i=0; &l

48、t;/b>　　int *pList = pPersonLists; 　　bool Ret; 　　while(pList[0] != END) 　　{ 　　switch(pList[1])

49、 　　{ 　　case R: 　　Ret = CreateReader(pList[2],pList[3],pList[0]); break; 　　case W: </b

50、>　　Ret = CreateWriter(pList[2],pList[3],pList[0]);　　break; 　　} 　　if(!Ret) &l

51、t;/p>　　printf("Create Person %d is wrong\n",pList[0]); 　　pList += 4; // move to next person list　　}　　} &l

52、t;/b>　　DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam) 　　//讀過程　　{ 　　Person *pPerson = (Person*)lpP

53、aram; 　　// wait for the start time　　while(g_CurrentTime != pPerson->m_nStartTime) 　　{} 　　printf("Reader%disRe

54、questing ...\n",pPerson->m_nID);printf("\n\n**********************************\n"); 　　// wait for the write request 　　WaitForSingleObject(g_hReadSemaphore,INFIN

55、ITE); 　　if(g_NumOfReading==0) 　　{ 　　WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE); 　　}

56、;　　g_NumOfReading++; 　　ReleaseSemaphore(g_hReadSemaphore,1,NULL); 　　pPerson->m_nStartTime = g_CurrentTime;　　printf("Reader %d is Reading t

57、he Shared Buffer...\n",pPerson->m_nID); 　　printf("\n\n************************************************\n"); 　　while(g_CurrentTime <= pPerson->m_nStartTime

58、 + pPerson->m_nWorkTime) 　　{} 　　printf("Reader %d is Exit...\n",pPerson->m_nID); 　　printf("\n\n**********************

59、**************************\n"); 　　WaitForSingleObject(g_hReadSemaphore,INFINITE); 　　g_NumOfReading--; 　　if(g_NumOfReading == 0) <

60、;b>　　{　　ReleaseSemaphore(g_hWriteSemaphore,1,NULL);//此時沒有讀者,可以寫　　} 　　ReleaseSemaphore(g_hReadSemaphore,1,NULL); &

61、lt;p>　　if(pPerson->m_nID == 4) finished = true; //所有的讀寫完成 　　ExitThread(0); 　　return 0; 　　} 　　DWORD WINAPI Write

62、rProc(LPVOID lpParam) 　　{ 　　Person *pPerson = (Person*)lpParam; 　　// wait for the start time　　while(g_CurrentTime !=

63、pPerson->m_nStartTime)　　{} 　　printf("Writer %d is Requesting ...\n",pPerson->m_nID); 　　printf("\n\n******************

64、******************************\n"); 　　WaitForSingleObject(g_hWriteSemaphore,INFINITE);　　// modify the writer's real start time 　　pPerson->m_nStar

65、tTime = g_CurrentTime; 　　printf("Writer %d is Writting the Shared Buffer...\n",pPerson->m_nID); 　　while(g_CurrentTime <= pPerson->m_nStartTime + pPerson->m_

66、nWorkTime) 　　{} 　　printf("Writer %d is Exit...\n",pPerson->m_nID); 　　printf("\n\n***************************************

67、*********\n"); 　　//g_NumOfWriteRequest--;　　ReleaseSemaphore(g_hWriteSemaphore,1,NULL); 　　if(pPerson->m_nID == 4) finished = true;//所有的讀寫完成

68、　　ExitThread(0); 　　return 0;　　}　　bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID) //寫過程<

69、p>　　{ 　　DWORD dwThreadID; 　　if(g_NumPerson >= MAX_PERSON) 　　return false; 　　Person *pPerson = &g_Persons[g_

70、NumPerson]; 　　pPerson->m_nID = ID;　　pPerson->m_nStartTime = StartTime; 　　pPerson->m_nWorkTime = WorkTime; 　　pPerson->m_nType

71、 = c;　　g_NumPerson++; 　　// 創(chuàng)建一個新的線程 　　pPerson->m_hThread=　　CreateThread(NULL,0,ReaderProc,(LPVOID)pPerson,0,&dwThreadID); </p&

72、gt;　　if(pPerson->m_hThread == NULL) 　　return false; 　　return true; 　　} 　　bool CreateWriter(int StartTim

73、e,int WorkTime,int ID) 　　{ 　　DWORD dwThreadID; 　　if(g_NumPerson >= MAX_PERSON) 　　return false; <p&g

74、t;　　Person *pPerson = &g_Persons[g_NumPerson];　　pPerson->m_nID = ID; 　　pPerson->m_nStartTime = StartTime;　　pPerson->m_nWorkTime = WorkTime;</

75、p>　　pPerson->m_nType = p;　　g_NumPerson++; 　　// 創(chuàng)建一個新的線程 　　pPerson->m_hThread= 　　CreateThread(NULL,0,WriterProc,(LPVO

76、ID)pPerson,0,&dwThreadID);　　if(pPerson->m_hThread == NULL) 　　return false; 　　return true; 　　}<p

77、>　　八、程序測試結(jié)果　　九、心得與體會　　這一次課程設(shè)計，讓我體會很深刻?？偟母杏X，學(xué)到了很多知識，特別對于linux有了全面的接觸和了解，也開始對linux產(chǎn)生了興趣，它所開放的源碼的確為學(xué)計算機(jī)的同志們提供了很好的平臺。讀者-寫者問題經(jīng)典的線程同步問題的一個模型。經(jīng)過

78、讀者寫者問題的編寫，我對同步機(jī)構(gòu)應(yīng)用有了深入的了解。懂得了運用信號量實現(xiàn)進(jìn)程間的互斥。實現(xiàn)了不讓共享資源同時修改。用信號量上的原語操作使臨界段問題的解決比較簡單明了了。讀者寫者問題的編寫，花的時間很多，也學(xué)到很多東西。了解支持多道程序的并發(fā)操作系統(tǒng)設(shè)計中解決資源共享時進(jìn)程間的同步與互斥的信號量機(jī)制。幾天的試驗，雖然難度有點大，但只要自己花時間去學(xué)習(xí)，還是會攻克困難的?？傊恳淮握n程設(shè)計不僅是我們學(xué)習(xí)的好機(jī)會，而且是我們鍛煉實際動手能力的

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