操作系统课程设计---读者-写者问题实现.doc

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 设计内容在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 52 w 4 53 r 5 24 r 6 55 w 5.1 34 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 cs_write;critical_section cs_read;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结构对象必须经过initializecriticalsection（）的初始化后才能使用，而且必须确保所有线程中的任何试图访问此共享资源的代码都处在此临界区的保护之下。否则临界区将不会起到应有的作用，共享资源依然有被破坏的可能。2、定义线程结构:struct threadinfo int threadhao; char threadclass; double threadstarttime; double threadruntime; ;此结构用来存放线程的信息,四个成员变量依次表示线程序号、线程类别、线程开始时间、线程读写持续时间。3、互斥对象创建互斥对象createmutex(null,false,mutex_for_readcount);参数含义如下： null表示创建带有默认安全性的内核对象false表示该互斥对象没有被任何线程所拥有mutex_for_readcount是为内核对象赋予名字。 释放互斥信号releasemutex(h_mutex); 对资源具有访问权的线程不再需要访问此资源而要离开时，必须通过releasemutex（）函数来释放其拥有的互斥对象4、创建读者线程createthread(null,0,(lpthread_start_routine)(r_readerthread),&thread_infoi,0,&thread_id);参数含义如下：null表示创建带有默认安全性的内核对象0表示新读者线程拥有自己的堆栈，使用缺省大小：1mb。 (lpthread_start_routine)(r_readerthread)表示新读者线程执行的线程函数的地址 &thread_infoi表示在线程启动执行时将该参数传递给读者线程函数。0表示读者线程创建后可以立即进行调度 &thread_id表示createthread使用这个地址来存放系统分配 给新读者线程的i d5、等待函数waitformultipleobjects(n_thread,h_thread,true,-1);等待函数可使线程自愿进入等待状态，直到一个特定的内核对象变为已通知状态为止参数含义如下：n_thread表示线程数量。h_thread是指向线程对象句柄的数组的指针。ture表示:在所有线程对象变为已通知状态之前，该函数将不允许调用线程运行参数 -1 告诉系统，调用线程愿意永远等待下去（无限时间量），直到该进程终止运行。三、运行结果程序运行结果如下：请选择要进行的操作:1 （回车）1 （回车）请选择要进行的操作:2 （回车）四、设计总结本次操作系统课程设计完成的是读者-写者问题，通过学习对线程及其同步机制有了很的学习和掌握. 并认识到同步可以保证在一个时间内只有一个线程对某个资源有控制权。共享资源包括全局变量、公共数据成员或者句柄等。同步还可以使得有关联交互作用的代码按一定的顺序执行。同时也掌握了实现线程同步的对象有critical_section（关键段），event（事件），mutex（互斥对象），semaphores（信号量）并对这些对象理解如下： 对于关键段对象：首先，定义一个关键段对象;然后，初始化该对象。初始化时把对象设置为not_singaled，表示允许线程使用资源：如果一段程序代码需要对某个资源进行同步保护，则这是一段关键段代码。在进入该关键段代码前调用entercriticalsection函数，这样，其他线程都不能执行该段代码，若它们试图执行就会被阻塞。完成关键段的执行之后，调用leavecriticalsection函数，其他的线程就可以继续执行该段代码。如果该函数不被调用，则其他线程将无限期的等待。对于互斥对象 首先，调用createmutex创建互斥对象；然后，调用等待函数，可以的话利用关键资源；最后，调用realsemutex释放互斥对象。互斥对象可以在进程间使用，但关键段对象只能用于同一进程的线程之间。对于等待函数：等待函数有：1.等待单个对象的(for single object): waitforsingleobject,函数参数包括同步对象的句柄和等待时间等。如果等待时间不限制(infinite)，则只有同步对象获得信号才返回；如果等待时间为0，则在测试了同步对象的状态之后马上返回。2.等待多个对象的(for multiple objects) waitformultipleobjects,函数参数包括同步对象的句柄，等待时间，是等待一个还是多个同步对象等等,如果等待时间不限制(infinite)，则只有同步对象获得信号才返回；如果等待时间为0，则在测试了同步对象的状态之后马上返回。操作系统设计使我对c+有了一个很好的复习和学习，对线程的创建及同步问题及其同步对象都有了很好的理解。并能初步进行简单的程序编程。并对程序的调式过程，也使我更好了解到线程同步的具体运行过程，使我更好的理解程序。学习语言是一个漫长的过程，我想只有在不断的实践练习中，才能更好的掌握编程的技巧，提高自己的编程能力，通过此次课设也让我深深体会到自己还有很多东西需要学习，还有很多课程需要复习。总之，此次课程设计使我收益匪浅。五、源代码#include #include#include #include fstream.h int readcount=0; int writecount=0; critical_section rp_write; critical_section cs_write;critical_section cs_read;struct threadinfo int threadhao; char threadclass; double threadstarttime; double threadruntime; /线程读写持续时间;void readerfun(char* file);void r_readerthread(void *p);void r_writerthread(void *p);void writerfun(char* file); void w_readerthread(void *p);void w_writerthread(void *p);int main()char select;while (true)cout*读者-写者问题*nendl;cout 1:读者优先endl; cout 2:写者优先endl;cout 3:退出endl;coutn*nendl;cout请选择要进行的操作:select;if(select!=1 & select!=2 & select!=3)cout你操作有误，请重试！endl;while (select!=1 & select!=2 & select!=3);system(cls);if (select=3)return 0;else if (select=1)readerfun(exia.txt); else if(select=2) writerfun(exia.txt);coutn是否继续? 1. 继续 2.退出select;if(select!=1 & select!=2 )cout你操作有误，请重试！endl;while (select!=1 & select!=2);if(select=2)return 0;system(cls);return 0;void readerfun(char* file)dword n_thread=0; /线程数初值为0dword thread_id; dword wait_for_all; /临界资源handle h_mutex;/互斥对象(h_mutex)确保线程拥有对单个资源的互斥访问权h_mutex=createmutex(null,false,mutex_for_readcount); /*创建互斥对象， false表示该互斥对象没有被任何线程所拥有mutex_for_readcount是为内核对象赋予名字。*/handle h_thread70;/线程对象数组，最大70threadinfo thread_info70;readcount=0; initializecriticalsection(&rp_write); /初始化临界区ifstream infile;infile.open(file); cout读者优先:nthread_infon_thread.threadhaothread_infon_thread.threadclassthread_infon_thread.threadstarttimethread_infon_thread.threadruntime;if (-1 = infile.get()break;n_thread+;/线程数加一for (int i=0;i(int)(n_thread);i+)if (thread_infoi.threadclass=r)/创建读者线程h_threadi=createthread(null,0,(lpthread_start_routine)(r_readerthread),&thread_infoi,0,&thread_id); /* 0表示createthread就保留一个区域，并且将链接程序嵌入. exe文件的/ stack链接程序开关信息指明 的存储器容量分配给线程堆栈。 (lpthread_start_routine)(r_readerthread)表示新线程执行的线程函数的地址 &thread_infoi表示在线程启动执行时将该参数传递给线程函数。 0表示读者线程创建后可以立即进行调度 &thread_id表示createthread使用这个地址来存放系统分配 给新读者线程的i d*/else/创建写者线程h_threadi=createthread(null,0,(lpthread_start_routine)(r_writerthread),&thread_infoi,0,&thread_id);wait_for_all=waitformultipleobjects(n_thread,h_thread,true,-1);/*等待函数可使线程自愿进入等待状态，直到一个特定的内核对象变为已通知状态为止n_thread表示线程数量。h_thread是指向线程对象句柄的数组的指针。ture表示:在所有线程对象变为已通知状态之前，该函数将不允许调用线程运行参数 -1 告诉系统，调用线程愿意永远等待下去（无限时间量），直到该进程终止运行。*/cout所有的读者和写者线程完成操作.threadhao;m_delay=(dword)(threadinfo *)(p)-threadstarttime*100);m_threadruntime=(dword)(threadinfo *)(p)-threadruntime*100);sleep(m_delay); /延迟等待cout读者线程 m_threadhao 发出读请求.endl;wait_for_mutex=waitforsingleobject(h_mutex,-1); /等待互斥信号，保证对readcount的访问、 /修改互斥readcount+; if (readcount=1)entercriticalsection(&rp_write);/禁止写者进入 releasemutex(h_mutex);/释放互斥对象，允许下个读者继续读：cout读者线程 m_threadhao 开始读文件.endl;sleep(m_threadruntime);cout读者线程 m_threadhao 完成读文件.threadhao;m_delay=(dword)(threadinfo *)(p)-threadstarttime*100);m_threadruntime=(dword)(threadinfo *)(p)-threadruntime*100);sleep(m_delay); /延迟等待cout写者线程 m_threadhao 发出写请求.endl;entercriticalsection(&rp_write);/禁止下一位写者进入cout写者线程 m_threadhao 开始写文件.endl;sleep(m_threadruntime);/退出线程cout写者线程 m_threadhao 完成写文件.endl;leavecriticalsection(&rp_write); /如果所有读者读完，唤醒写者void writerfun(char* file)dword n_thread=0; /线程数目dword thread_id; dword wait_for_all; /互斥对象handle h_mutex1, h_mutex2, h_mutex3;h_mutex1 = createmutex(null, false, mutex_for_writecount);h_mutex2 = createmutex(null, false, mutex_for_readcount);h_mutex3 = createmutex(null, false, mutex_for_read);/线程对象数组handle h_thread70;threadinfo thread_info70;readcount=0; initializecriticalsection(&cs_write); /初始化临界区initializecriticalsection(&cs_read);ifstream infile;infile.open(file); cout写者优先:nthread_infon_thread.threadhaothread_infon_thread.threadclassthread_infon_thread.threadstarttimethread_infon_thread.threadruntime;if(-1 = infile.get()break;n_thread+;/线程数加一for (int i=0;i(int)(n_thread);i+)if (thread_infoi.threadclass=r)/创建读者线程h_threadi=createthread(null,0,(lpthread_start_routine)(w_readerthread),&thread_infoi,0,&thread_id);else/创建写者线程h_threadi=createthread(null,0,(lpthread_start_routine)(w_writerthread),&thread_infoi,0,&thread_id);/等待所有线程结束wait_for_all=waitformultipleobjects(n_thread,h_thread,true,-1);cout所有的读者和写者线程完成操作.threadhao;m_delay=(dword)(threadinfo *)(p)-threadstarttime*100);m_threadruntime=(dword)(threadinfo *)(p)-threadrunt