进程间通信之“读者—写者”问题的分析与实现

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计算机操作系统原理课程是计算机科学与技术及相关专业的核心课程,历来为计算机及信息学科所重视。操作系统原理课程中重要的一环就是进程间的通信问题。而“读者-写者”问题更是进程间通信的经典,学好它不仅可使学生巩固理论学习的概念、原理、设计及算法,同时也可培养软件开发所应有的系统结构设计和软件工程素养。

操作系统;文件系统;功能调用

1.问题的提出及论文的目的

在Windows7环境下,创建一个控制台进程,此进程包含n个线程。用这n个线程来表示n个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件的要求进行读写操作。用信号量机制分别实现读者优先和写者优先问题。

通过分析并实现经典的“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,并让读者了解如何将基本原理和实际设计有机的结合。

2.设计思路

可以将所有读者和所有写者分别存于一个读者等待队列和一个写者等待队列中,每当读允许时,就从读者队列中释放一个或多个读者线程进行读操作;每当写允许时,就从写者队列中释放一个写者线程进行写操作。

读者优先。读者优先指的是除非有写者在写文件,否则读者不需要等待。所以可以用一个整数变量Read count记录当前的读者数目,用于确定是否需要释放正在等待的写者进程(当Read count=0时,表明所有的读者读完,需要释放写者等待队列中的一个写者)。每当一个读者开始读文件时,必须修改Read count变量。因此需要一个互斥对象mutex来实现对全局变量Read count修改时的互斥。

另外,为了实现读-写互斥,需要增加一个临界区对象Write。当写者发出写请求时,必须申请临界区对象的所有权。通过这种方法,可以实现读-写互斥,当Read count=1时(即第一个读者到来时),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时,写者阻塞在临界区对象Write上。当写者拥有临界区的所有权时,第一个读者判断完”Read count==1”后阻塞在Write上,其余的读者由于等待对Read count的判断,阻塞在mutex上。

写者优先。写者优先与读者优先相类似。不同之处在于一旦一个写者到来,它应该尽快对文件进行写操作,如果有一个写者在等待,则新到来的读者不允许进行读操作。为此应当填加一个整形变量Write count,用于记录正在等待的写者的数目,当Write count=0时,才可以释放等待的读者线程队列。

为了对全局变量Write count实现互斥,必须增加一个互斥对象mutex3。

为了实现写者优先,应当填加一个临界区对象read,当有写者在写文件或等待时,读者必须阻塞在read上。

读者线程除了要对全局变量Read count实现操作上的互斥外,还必须有一个互斥对象对阻塞read这一过程实现互斥。这两个互斥对象分别命名为mutex1,mutex2。

以上内容很清楚的讲述了进程间通信之经典问题—“读者-写着”问题的本质,并且提出了实现的方法,可以帮助读者学好操作系统这门核心的计算机专业课程。

[1]汤子瀛.计算机操作系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011.08

[2]特南鲍姆.现代操作系统[M].北京:机械工业出版社,2002.01

[3]William Stalling.操作系统:精髓与设计原理[M].北京:电子工业出版社,2006.03