【操作系统】读者-写者问题
问题描述
读者-写者问题是并发编程中的一个经典问题，描述了一个场景，其中多个读者和多个写者共享一个资源（如文件或数据库）。问题的核心是如何协调读者和写者的访问，以确保：
-
多个读者可以同时读取资源，但不允许写者访问。
-
写者独占资源，即写者访问时，不允许其他读者或写者访问。
问题的三种变体
-
第一种变体：优先考虑读者，允许读者尽可能多地访问资源，但写者可能会饿死（即长时间等待）。
-
第二种变体：优先考虑写者，写者一旦准备好就可以立即访问资源，但读者可能会饿死。
-
第三种变体：读者和写者都应公平地访问资源，避免饿死。
解决方案
以下是一个基于POSIX信号量的解决方案，优先考虑读者（第一种变体）。
伪代码
读者逻辑（Reader）
初始化信号量：
mutex = 1 // 用于互斥访问读者计数器
wrt = 1 // 用于写者访问
rc = 0 // 读者计数器
读者线程：
while (true) {
// 想要读
P(mutex) // 进入临界区
rc++ // 增加读者计数
if (rc == 1) {
P(wrt) // 阻止写者访问
}
V(mutex) // 离开临界区
// 正在读
打印 "Reader is reading"
等待一段时间 (模拟读取时间)
// 读完
P(mutex) // 进入临界区
rc-- // 减少读者计数
if (rc == 0) {
V(wrt) // 允许写者访问
}
V(mutex) // 离开临界区
等待一段时间 (模拟读者等待时间)
} 写者逻辑（Writer）
初始化信号量：
wrt = 1 // 用于写者访问
写者线程：
while (true) {
// 想要写
P(wrt) // 阻止读者和其他写者访问
打印 "Writer is writing"
等待一段时间 (模拟写入时间)
V(wrt) // 允许读者和其他写者访问
等待一段时间 (模拟写者等待时间)
} 伪代码说明
-
信号量操作：
-
P(mutex)和V(mutex)：分别表示对互斥信号量mutex的P操作（等待）和V操作（释放）。 -
P(wrt)和V(wrt)：分别表示对写者信号量wrt的P操作（等待）和V操作（释放）。
-
-
读者逻辑：
-
读者进入时，增加读者计数器
rc。 -
如果是第一个读者，阻塞写者访问。
-
读者离开时，减少读者计数器
rc。 -
如果是最后一个读者，允许写者访问。
-
-
写者逻辑：
-
写者进入时，阻塞读者和其他写者访问。
-
写者离开时，允许读者和其他写者访问。
-
伪代码中的符号
-
P(semaphore)：表示对信号量semaphore进行P操作（等待）。 -
V(semaphore)：表示对信号量semaphore进行V操作（释放）。 -
rc：读者计数器。 -
mutex：互斥信号量，用于保护读者计数器rc。 -
wrt：写者信号量，用于控制写者对资源的访问。
示例代码
1. 读者代码（reader.c）
#include
#include
#include
#include
#include
// 信号量定义
sem_t mutex; // 用于互斥访问读者计数器
sem_t wrt; // 用于写者访问
int rc = 0; // 读者计数器
void* reader(void* arg) {
while (1) {
// 想要读
sem_wait(&mutex); // 进入临界区
rc++; // 增加读者计数
if (rc == 1) { // 如果是第一个读者
sem_wait(&wrt); // 阻止写者访问
}
sem_post(&mutex); // 离开临界区
// 正在读
printf("Reader %ld is reading\n", (long)arg);
sleep(1); // 模拟读取时间
// 读完
sem_wait(&mutex); // 进入临界区
rc--; // 减少读者计数
if (rc == 0) { // 如果是最后一个读者
sem_post(&wrt); // 允许写者访问
}
sem_post(&mutex); // 离开临界区
sleep(1); // 模拟读者等待时间
}
}
int main() {
pthread_t reader_thread1, reader_thread2;
// 初始化信号量
sem_init(&mutex, 0, 1);
sem_init(&wrt, 0, 1);
// 创建读者线程
pthread_create(&reader_thread1, NULL, reader, (void*)1);
pthread_create(&reader_thread2, NULL, reader, (void*)2);
// 等待线程结束
pthread_join(reader_thread1, NULL);
pthread_join(reader_thread2, NULL);
// 清理信号量
sem_destroy(&mutex);
sem_destroy(&wrt);
return 0;
} 2. 写者代码（writer.c）
#include
#include
#include
#include
#include
// 信号量定义
sem_t wrt; // 用于写者访问
void* writer(void* arg) {
while (1) {
// 想要写
sem_wait(&wrt); // 阻止读者和其他写者访问
printf("Writer %ld is writing\n", (long)arg);
sleep(1); // 模拟写入时间
sem_post(&wrt); // 允许读者和其他写者访问
sleep(1); // 模拟写者等待时间
}
}
int main() {
pthread_t writer_thread1, writer_thread2;
// 初始化信号量
sem_init(&wrt, 0, 1);
// 创建写者线程
pthread_create(&writer_thread1, NULL, writer, (void*)1);
pthread_create(&writer_thread2, NULL, writer, (void*)2);
// 等待线程结束
pthread_join(writer_thread1, NULL);
pthread_join(writer_thread2, NULL);
// 清理信号量
sem_destroy(&wrt);
return 0;
} 小结
第一种变体的实现优先考虑读者，允许多个读者同时访问资源，但写者一旦开始写入，会阻塞所有读者和其他写者。这种策略适合读操作频繁的场景，但可能会导致写者饿死。如果需要更公平的策略，可以调整信号量的逻辑，例如引入额外的信号量来控制写者的优先级。所以可以采用第三种变体，读者和写者都应公平地访问资源，避免饿死。
第三种变体
第三种变体：读者和写者都应公平地访问资源，避免饿死。
伪代码
读者逻辑
信号量 mutex = 1; // 用于互斥访问读者计数器
信号量 wrt = 1; // 用于写者访问
信号量 can_read = 1; // 用于控制读者的访问
信号量 can_write = 1; // 用于控制写者的访问
整数 rc = 0; // 读者计数器
整数 wc = 0; // 写者计数器
while (true) {
// 等待可以读
P(can_read);
// 想要读
P(mutex); // 进入临界区
rc++; // 增加读者计数
if (rc == 1) { // 如果是第一个读者
P(wrt); // 阻止写者访问
}
V(mutex); // 离开临界区
// 正在读
打印 "Reader is reading";
等待一段时间 (模拟读取时间);
// 读完
P(mutex); // 进入临界区
rc--; // 减少读者计数
if (rc == 0) { // 如果是最后一个读者
V(wrt); // 允许写者访问
}
V(mutex); // 离开临界区
// 释放读的权限
V(can_write); // 允许写者访问
等待一段时间 (模拟读者等待时间);
} 写着逻辑
信号量 wrt = 1; // 用于写者访问
信号量 can_read = 1; // 用于控制读者的访问
信号量 can_write = 1; // 用于控制写者的访问
while (true) {
// 等待可以写
P(can_write);
// 想要写
P(wrt); // 阻止读者和其他写者访问
打印 "Writer is writing";
等待一段时间 (模拟写入时间);
V(wrt); // 允许读者和其他写者访问
// 释放写的权限
V(can_read); // 允许读者访问
等待一段时间 (模拟写者等待时间);
} 伪代码说明
-
信号量操作：
-
P(semaphore)：表示对信号量semaphore进行P操作（等待）。 -
V(semaphore)：表示对信号量semaphore进行V操作（释放）。
-
-
读者逻辑：
-
读者在访问资源之前，必须等待
can_read信号量。 -
当第一个读者开始读取时，通过
P(wrt)阻塞写者。 -
当最后一个读者结束读取时，通过
V(wrt)允许写者访问。 -
读者完成读取后，释放
can_write信号量，允许写者访问。
-
-
写者逻辑：
-
写者在访问资源之前，必须等待
can_write信号量。 -
写者通过
P(wrt)阻塞读者和其他写者。 -
写者完成写入后，通过
V(wrt)允许读者和其他写者访问。 -
写者完成写入后，释放
can_read信号量，允许读者访问。
-
伪代码中的符号
-
P(semaphore)：表示对信号量semaphore进行P操作（等待）。 -
V(semaphore)：表示对信号量semaphore进行V操作（释放）。 -
rc：读者计数器。 -
wc：写者计数器。 -
mutex：互斥信号量，用于保护读者计数器rc。 -
wrt：写者信号量，用于控制写者对资源的访问。 -
can_read：控制读者的访问。 -
can_write：控制写者的访问。
示例代码
读者代码（reader.c）
#include
#include
#include
#include
#include
// 信号量定义
sem_t mutex; // 用于互斥访问读者计数器
sem_t wrt; // 用于写者访问
sem_t can_read; // 用于控制读者的访问
int rc = 0; // 读者计数器
void* reader(void* arg) {
while (1) {
// 等待可以读
sem_wait(&can_read);
// 想要读
sem_wait(&mutex); // 进入临界区
rc++; // 增加读者计数
if (rc == 1) { // 如果是第一个读者
sem_wait(&wrt); // 阻止写者访问
}
sem_post(&mutex); // 离开临界区
// 正在读
printf("Reader %ld is reading\n", (long)arg);
sleep(1); // 模拟读取时间
// 读完
sem_wait(&mutex); // 进入临界区
rc--; // 减少读者计数
if (rc == 0) { // 如果是最后一个读者
sem_post(&wrt); // 允许写者访问
}
sem_post(&mutex); // 离开临界区
// 释放读的权限
sem_post(&can_read);
sleep(1); // 模拟读者等待时间
}
}
int main() {
pthread_t reader_thread1, reader_thread2;
// 初始化信号量
sem_init(&mutex, 0, 1);
sem_init(&wrt, 0, 1);
sem_init(&can_read, 0, 1);
// 创建读者线程
pthread_create(&reader_thread1, NULL, reader, (void*)1);
pthread_create(&reader_thread2, NULL, reader, (void*)2);
// 等待线程结束
pthread_join(reader_thread1, NULL);
pthread_join(reader_thread2, NULL);
// 清理信号量
sem_destroy(&mutex);
sem_destroy(&wrt);
sem_destroy(&can_read);
return 0;
} 写者代码（writer.c）
#include
#include
#include
#include
#include
// 信号量定义
sem_t wrt; // 用于写者访问
sem_t can_read; // 用于控制读者的访问
void* writer(void* arg) {
while (1) {
// 想要写
sem_wait(&wrt); // 阻止读者和其他写者访问
printf("Writer %ld is writing\n", (long)arg);
sleep(1); // 模拟写入时间
sem_post(&wrt); // 允许读者和其他写者访问
// 释放读的权限
sem_post(&can_read);
sleep(1); // 模拟写者等待时间
}
}
int main() {
pthread_t writer_thread1, writer_thread2;
// 初始化信号量
sem_init(&wrt, 0, 1);
sem_init(&can_read, 0, 1);
// 创建写者线程
pthread_create(&writer_thread1, NULL, writer, (void*)1);
pthread_create(&writer_thread2, NULL, writer, (void*)2);
// 等待线程结束
pthread_join(writer_thread1, NULL);
pthread_join(writer_thread2, NULL);
// 清理信号量
sem_destroy(&wrt);
sem_destroy(&can_read);
return 0;
} 代码说明
-
信号量的使用：
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mutex信号量用于保护读者计数器rc，确保读者计数器的增减操作是原子的。 -
wrt信号量用于控制写者对共享资源的访问，确保写者独占资源。
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读者逻辑：
-
当第一个读者开始读取时，通过
sem_wait(&wrt)阻塞写者。 -
当最后一个读者结束读取时，通过
sem_post(&wrt)允许写者访问。 -
多个读者可以同时访问共享资源，因为
rc计数器确保了写者不会在读者读取期间访问资源。
-
-
写者逻辑：
-
写者通过
sem_wait(&wrt)阻塞读者和其他写者。 -
写者完成写操作后，通过
sem_post(&wrt)允许读者和其他写者访问。
-
小结
通过引入can_read信号量，我们确保了读者和写者交替访问资源，避免了读者或写者饿死的问题。这种实现符合第三种变体的要求，即读者和写者都应公平地访问资源。