燕山大学操作系统作业——读者-写者公平问题

Posted 2021-12-30 流楚丶格念

文章目录

• 燕山大学操作系统大作业
• • 问题：
• 解决方案：
• • 1.问题探讨：
  • • 1.1.改进：
    • 1.2.升级：
  • 2.问题解决：
  • • 2.1.设计规则：
    • 2.2.实现方法
    • 2.3.实现原理：
    • 2.4.伪代码实现：

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PS：这文章是软件后四个班（李贤善老师教的班）的作业，前四个班的作业在下面的下载链接里：
https://download.csdn.net/download/weixin_45525272/29795260

这也不是标准答案，只是我自己的见解，总结出来的，仅供参考，如有错误，可以评论留言或者加QQ1795018360，请不吝赐教。

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燕山大学操作系统大作业

问题：

教材中提供的读者-写者问题的解决方案存在读者优先问题，即当有一个读进程比较活跃时，随后而来的读进程都将被允许访问资源。这样，会导致写进程可能长时间等待。而这种情况往往与实际应用需求相背。

请认真分析、研究读者-写者问题，给出对读者和写者都较为公平的同步解决方案。要求写出分析过程，写出使用的信号量及进程描述伪代码，并详细解释给出的解决方案。

解决方案：

1.问题探讨：

教材中为读者优先，其特点有写者、读者互斥访问文件资源，多个读者可以同时访问文件资源（通过readcount来控制），只允许一个写者进行写的操作（通过wmutex控制），只要有读者这在读，就不允许写者进入。直到没有读者到达，没有读者到达会导致读者队列为空，即readcount =0，此时写者才可以进入临界区执行写操作。

由此可看出除非有写者在写，否则读者不需要等待，读者处于高优先级进程，写者处于低优先级进程，两者通过变量wmutex完成互斥。从而导致写进程长时间的等待。

这相对于写者来说是非常不公平的，举个例子，如果连续一直有读者进行读操作的时候，写者就不能访问系统资源临界区进行写操作。

1.1.改进：

首先我想到可以将待访问的数据区域视为临界区，直接只设置一个互斥信号量mutex，然后读者和写者都采用 p(mutex);读取/写入数据; v(mutex);的方式竞争获取数据区域。这样的方法也可以做到先到先得的效果啊。

虽然达到了读者-写者公平竞争，但是上面忽视了一个严重的问题：丧失了读者的并行性。下面再进行改进。

1.2.升级：

我首先想：能不能为读者队列加一个锁，将没进来的锁在外面，即形成两个读者队列：在有写者想要写的时候分成已经读上的读者和没有读上的读者。然后已经读上的读者继续读直到读完为止，再想读的读者就不让读了。当已经读上的读者读完了的时候进来的写者进行写操作。

大致意思就是：当写者没有写的时候，读者直接进入读者队列等待系统分配资源进行读取数据；但是当有写者要进行写操作的时候，立刻开启读者队列锁，新来的再想进行读操作的读者就不能读了，只有已经读上的可以进行读操作，当读者队列读完了的时候，写者进行写，写完解除读者队列锁。新来的再想读的读者就可以正常读了。

好了，上面那就是想的过程，下面整点专业的代码和语句。

2.问题解决：

2.1.设计规则：

1. 首先读者、写者肯定要互斥访问
2. 同一时刻只能允许有一个写者访问资源
3. 同一时刻可以有多个读者同时访问资源
4. 读者进程分为两个级别
5. 写者进程的优先级和读者相同

2.2.实现方法

1. 设置fmutex 信号量实现对临界资源的互斥访问。
2. 设置计数器readcount实现多个读者访问临界资源，通过设置信号量rmutex 实现对readcount 计数器的互斥访问。
3. 设置信号量fair实现读者进程和写者进程的公平竞争

2.3.实现原理：

信号量fair的作用其一是为了阻止读者进程优先（即教材中的只要读者进程到达，就可以进入读者队列，而写者进程必须等待，有了fair可以阻塞没读的读者），其二是为了写者间的互斥（有了fair只有当前一个写者可以进行写操作）。

例如：开始来了一些读者进程读资源，此时没有写者那么全部进入读者队列，此时来了一个写者，执行P(fair)操作，使得后续到来的读者都阻塞在fair上，不能进入读者队列（这会使得读者队列逐渐为空，即rcount减为0），但是这个写者也不能立马开始写（因为此时读者队列不为空），阻塞在fmutex 上，读者队列中的读者全部读取结束后，最后一个读者进程执行V(fmutex)，唤醒刚才的写者，写者开始进行写操作。

2.4.伪代码实现：

//公平竞争  
int readcount = 0;  
semaphore rmutex = 1;   // 用于读者进程互斥修改readcount;  
semaphore fmutex = 1;   // 用于读者和写者互斥访问文件   
semaphore fair = 1;     // 用于实现公平竞争,锁住新进读者队列  
  
// 写者操作  
writer()  
  
    P(fair);    // 读者队列  
    P(fmutex);      
    ...
    写者操作
    ... 
    V(fmutex);  
    V(fair);  
  
  
// 读者操作  
reader()  
  
    P(fair);  
    P(rmutex);  
    if (readcount == 0)  
        P(fmutex);  
    readcount ++;  
    V(rmutex);  
    V(fair);  
  
    ...
   读者操作
    ... 
  
    P(rmutex);  
    readcount --  
    if (readcount == 0)  
        V(fmutex);  
    V(rmutex);