采用“写优先”的策略演示“读者写者”问题

1、青岛理工大学操作系统课程设计报告院（系）：计算机工程学院专业：计算机科学与技术专业学生姓名：滕同学班级：软件102 学号：201007195题目：采用“写优先”的策略演示“读者-写者”问题起迄日期：2013.7.8-2013.7.17设计地点：网络中心计算机学院机房指导教师：吴老师2012 2013年度 第2学期完成日期：2013 年7月17日、课程设计目的进行操作系统课程设计主要是在学习操作系统课程的基础上，在完成操作系统各部分实验的基础上，对操作系统的整体进行一个模拟，通过实践加深对各个部分的管理功能的认识，还能进一步分析各个部分之间的联系，最后达到对完整系统的理解。同时，可以提高运 用操

2、作系统知识解决实际问题的能力；锻炼实际的编程能力、 创新能力及团队组织、 协作开发软件的能力；还能提高调查研究、查阅技术文献、资料以及编写软件设计文档的能力。此次实验我选择的是经典的读者写者问题。读写者问题的传统解决方案采用读优先策略，可能会造成后续的写者被随后而来的读者插队而长时间等待，直到全部读者进程运行完毕后，才可进行写操作。为此，选择采用“写优先策略”解决读写者问题，希望通过此次课 程设计实现利于写者工作的功能，加深对线程、进程及同步概念的理解。通过研究经典的进程同步问题，实现对读者-写者问题的并发控制， 掌握运用信号量解决 “同类进程多次访问， 而不同类的进程必须互斥访问资源”的控制

3、问题。此次实验我选择用比较大众的C#语言编写,因为C#中有semaphore类是对操作系统的semaphore很好的描述。、课程设计内容与要求1、 设计目的：通过研究经典的进程进步问题，实现对读者-写者问题的并发控制。2、 说明：阅览室一次最多可以容纳20个人。3、设计要求：1）读者与写者至少包括ID、进入内存时间、读写时间三项内容，可在界面上进行输入2）读者与写者均有二个以上，可在程序运行期间动态增加读者与写者3）可读取样例数据（要求存放在外部文件中），进行读者/写者、进入内存时间、读写时间的初始化4）要求将运行过程用可视化界面动态显示，可随时暂停，查看阅览室中读者/写者数目、读者等待队列、

4、写者等待队列、读写时间、等待时间5）读写策略为：读写互斥、写写互斥、写优先（只要写者到达，就阻塞后续的所有读 者，一旦阅览室无人，写者能最快进入阅览室；在写者未出阅读室之前，又有新的 读者与写者到达，仍然是写者排在前面）三、系统分析与设计3.1系统分析信息分析：写者优先程序实现写者优先进行写，本程序主要功能包括增加读者写者，时间的显示,动态的显示读写过程，暂停继续。具体实现这些功能所需要的信息表示如下：1）读者线程信息：public string Id;/读者线程 IDpublic int IncomeTime;/ 进入内存的时间public int ServerTime;/ 需要服务的时间2

5、 ）写者线程信息:publicstring Id;/写者线程 IDpublic int IncomeTime;/ 进入内存的时间public int ServerTime;/ 需要服务的时间阅览室内读者的人数阅览室内写者的人数3 ）计时器线程（需要的变量）publicstaticDateTime initTime =new DateTime(); / 开始时系统时间publicstaticint uptime = 0;/系统暂停的全部时间publicstaticDateTime pause; /暂停时的时间publicstaticDateTime goon; /暂停结束的时间2）主类中的信息:

6、public static int Rcount = 0;/ public static int Wcount = 0;/读者等待队列写者等待队列public static DataTable rwq = new DataTable(); public static DataTable wwq = new DataTable();/public static Label lb1, lb2;/lb1lb23)信号量信息：读者写者要访问的控件设置为静态全局变量显示 当前是读者，还是写者显示当前阅览室的人数实现写者优先的信号量 访问读者数量的信号量 表示浏览室的信号量 定义阅览室人数 控制访问时间的

7、信号量public static Semaphore Mut1 = new Semaphore。，1);/public static Semaphore Mut2 = new Semaphore(1, 1);/public static Semaphore Fmutex = new Semaphore(1, 1);/ public static Semaphore rNumber = new Semaphore(20,20); public static Semaphore Pause = new Semaphore(1, 1);/行为分析：1）增加读者写者：在文本框中输入进入内存时间，还有服

8、务时间，即可创建读者写者 线程，然后直接启动即可，实现动态添加读者写者目的。2） 外部文本读取：输入文本的名字可读取样例数据（存放在外部文件中），进行读者/ 写者、进入内存时间、读写时间的初始化。3）时间显示功能：在主函数中点击开始按钮，就启动一个计时线程，并在主界面动态 的显示。4 ） 数据显示：采用 C#中DateGradeView运行过程用可视化界面动态显示，可以随时 查看阅览室中读者/写者的等待时间，状态，哪些读者写者处于等待状态。5）暂停继续功能：暂停继续的实现，主要是对计时线程的信号量Pause的申请和释放实现的。表示分析：1）系统主界面设计显示读者写者的运行状态及信息，实现一些功

9、能的按钮。图1主界面设计-XT -I'T3.2系统设计:模块设计:图3系统功能模块图数据初始化图4 系统主要流程图322数据结构说明:1.程序中的数据定义:public static int Rcount = 0;/ public static int Wcount = 0;/阅览室内读者的人数 阅览室内写者的人数public static DataTable rwq = new DataTable(); public static DataTable wwq = new DataTable();/读者等待队列 写者等待队列public static Label lb1, lb2;/b

10、1/lb2读者写者要访问的控件设置为静态全局变量:l显示当前是读者，还是写者显示当前阅览室的人数public static DateTime in itTime = new DateTime();/开始时系统时间public static int uptime = 0;/系统暂停的全部时间public static DateTime pause;/暂停时的时间public static DateTime goo n;暂停结束的时间2.程序中信号量的定义：public static Semaphore Mut1 = new Semaphore。，1);/public static Semapho

11、re Mut2 = new Semaphore(1, 1);/public static Semaphore Fmutex = new Semaphore(1, 1);/public static Semaphore rNumber = new Semaphore(20,20);/public static Semaphore Pause = new Semaphore(1, 1);/实现写者优先的信号量 访问读者数量的信号量 表示浏览室的信号量 定义阅览室人数 控制访问时间的信号量323算法流程图:开始四、系统测试与调试分析4.1系统测试测试技术：单元测试，功能测试。单元测试是从开发者的角度

12、来编写的，检验被测代码中的一个很明确的功能是否正确。 通常而言，一个单元测试是用于判断某个特定条件（或者场景）下某个特定函数的行为。例 如可以输入正确的用户名和密码以及错误的用户名和密码来确定系统的登陆功能是否正确， 如果系统能够处理不同情况的输入则说明此登陆功能没有问题。编写单元测试有助于调用者观察、 思考。特别是先写测试，迫使我们把程序设计成易于 调用和可测试的，迫使我们解除软件中的耦合。编写单元测试有助于增加程序功能或者更改 程序的结构，使程序变得更加完善。功能测试是从使用者的角度来编写的，它关注系统提供的功能特征及其不同的处理条件；测试功能的不同处理流程（包括正常处理的和异常处理），它

13、能帮助开发者更好的发心系统的不足。测试方法：黑盒测试。黑盒测试方法是通过使用整个软件或某种软件功能来严格地测试，而并没有通过检查程序的源代码或者很清楚地了解该软件的源代码程序具体是怎样设计的。测试人员通过输入他们的数据然后看输出的结果从而了解软件怎样工作。在测试时，把程序看作一个不能打开的黑盆子，在完全不考虑程序内部结构和内部特性的情况下，测试者在程序接口进行测试，它只检查程序功能是否按照需求规格说明书的规定正常使用，程序是否能适当地接收和正确的输出。表2文本输入测试测 试 说 明测试名称米用“写优先”的策略演示“读者一写者”问题:测试目的:验证系统对于读者写者多线程的处理流程测试技术单元测试

14、测试方法黑盒测试法测 试 用 例测试内容读者写者的信息输入测试步骤r从界面输入信息从文本中读取输入错误信息测试数据1，R, 3,5rw.txt错误的编号r预期结果信息显示在table中信息显示在table中出现异常，显示失败测试结果与预期相符与预期相符与预期相符表3读者写者测试测 试 说 明测试名称米用“写优先”的策略演示“读者一写者”问题测试目的:验证系统对于读者写者多线程的处理流程测试技术功能测试测试方法r黑盒测试法测测试内容在写者后面到达到的读者被阻塞测试步骤把数据从外部文件输入数据库，然后从哈希表中读出开始运行1 R 1 62 R 2 6试测试数据3 W 3 6用4 W 4 6例5 R

15、 5 66 R 6 67 W 7 6r预期结果r1,2 3 4 5，6 7测试结果与预期相符表4读者写者同时到达测试测 试 说 明测试名称采用“写优先”的策略演示“读者一写者”问题测试目的验证系统对于读者写者多线程的处理流程P测试技术P功能测试测试方法黑盒测试法测 试 用 例测试内容:读者写者冋时到达，写者得到进入阅览室的权利P测试步骤:从界面添加读者与者的信息，至U达时间相冋，至U数据库然后开始执仃测试数据1 R 3 42 W 3 4:预期结果2 1测试结果与预期相符表5 人数测试测测试名称采用“写优先”的策略演示“读者一写者”问题试:测试目的:验证系统对于读者写者多线程的处理流程说测试技术

16、功能测试明测试方法黑盒测试法测试内容:采用“写优先”的策略演示“读者一写者”问题测试步骤从界面添加读者与者的信息，至u达时间相冋，至u哈布表然后开始执仃测试数据1 R 4 202 R 4 203 R 4 204 R 4 20测5 R 4 206 R 5 207 R 5 208 R 5 20试9 R 5 2010 R 6 2011 R 6 2012 R 6 20用13 R 6 2014 R 6 2015 R 5 2016 R 5 20例17 R 7 2018 R 7 2019 R 7 2020 R 8 2021 R 8 2022 R 8 20r预期结果:编号1 20先执行，21,22阻塞，1-5

17、执行完离开，21,22进入测试结果与预期相符4.2调试分析：在开始的时候对如何将读者写者问题转化到代码非常疑惑，因为没有没有编写操作系统实验的思想，后来去网上查阅了相关的资料看了一些代码后，才有了一个初步的认识，并看了关于多线程的视频才最终确定用多线程的编写。在整体方面，计算机的时钟是以毫秒来计算的，因此我设计了一个延迟时间Delay=1000,即以1s为一个时钟间隔。在编写过程中遇到了一些问题花费了好多时间才解决。遇到的问题如下：（1）开始并不知道如何处理到达时间，当其到达时该如何判断并调度它，采用的是循环 sleep,每次 sleep（IOOO） 秒。（2 ）如何更新运行时间与等待时间。采

18、用timeClock （自己创建的始终线程）对时间进行记录与计算。（3） 进程状态的更新。使用state记录状态，通过申请信号量成功与否来改变状 态。（4）应该创建的线程种类。读者，写者线程，主线程，和 timeClock时钟记录线 程。五、用户手册5.1程序开发及运行环境本程序在 Win7操作系统下利用图像界面技术设计前台界面，采用C#语言编写后台代码,文件作为后台信息的存储，在VS2010软件上开发。Vs2010 下载地址：5.2具体使用步骤1）打开VS2010软件，点击运行，系统主界面出现。2）选择增加读者写者，出现界面如下图。主界面显示3）必须先点击开始，在点击暂停，才能添加读者和写者

19、或者直接点击文件输入，否则 出现异常4)点击文件输入，即可从文件中读取读者写者信息，然后进行读写操作。运行信息显示界面5 ）选择暂停，即可暂停所有线程的运行，然后动态添加读者，写者6）点击继续，则可将刚刚添加的读者，还有写者进行读写操作。7）程序退出选择，点击终止，即可终止程序。六、程序清单6.1外部文件rw.txt /外部数据录入文件6.2主要的类Form.cs/主界面类Reader.cs /调度的read方法。读者类（包含读者信息Writer.cs / 调度的write方法。6.3本程序的源代码读者类（包含写者信息ID，进入时间，运行时间，以及读者线程ID，进入时间，运行时间，以及写者线程

20、using System;using System.Collect ion s.Ge neric;using System.Comp onen tModel;using System.Data;using System.Draw ing;using System.L inq;using System.Text;using System.Wi ndows.Forms;using System.Thread ing;using Syste m.IO;/*Semaphore的理解通过使用一个计数器对共享资源进行访问控制，Semaphore构造器需要提供初始化的计数器(信号量)大小以及最大的计数器大小

21、访问共享资源时，程序首先申请一个向Semaphore申请一个许可证，Semaphore的许可证计数器相应的减一，当计数器为0时，其他申请该信号量许可证的线程将被堵赛，直到先前已经申请到许可证的线程释放他占用的许可证让计数器加一，这样最近去申请许可证的线程将会得到竞争得到被释放的许可证。常见的操作方法 WaitO ne():申请一个许可证 Release。：释放占用的许可证*/n amespace duzhexiezhepublic partial class Form1 : Formpublic static Semaphore Pause = new Semaphore, 1);/ 时间的信

22、号量public static Semaphore Mut1 = new Semaphore(1, 1);/量public static Semaphore Mut2 = new Semaphore(1, 1);/量public static Semaphore Fmutex = new Semaphore(1, 1);/ 量public static Semaphore rNumber = new Semaphore(20,20);控制进程暂停访问实现写者优先的信号访问读者数量的信号表示浏览室的信号public static int Rcount = 0;/ public static in

23、t Wcount = 0;/阅览室内读者的人数阅览室内写者的人数public static DataTable rwq = new DataTable();读者等待队列public static DataTable wwq = new DataTable();/写者等待队列public static Label lb1, lb2;/ b1显示 当前是读者，还是写者/lb2读者写者要访问的控件设置为静态全局变量:l显示当前阅览室的人数public static DateTime in itTime = new DateTime();/public static int uptime = 0;/系

24、统暂停的全部时间public static DateTime pause;/暂停时的时间开始时系统时间public static DateTime goon;/暂停结束的时间public Form1()In itializeComp onen t();private void Form1_Load(object sen der, Even tArgs e)/ 初始化一些全局控件(”进程 ID");到达时间");服务时间");dgvrwq.DataSource = rwq;进程 ID");到达时间");服务时间");dgvwwq.Dat

25、aSource = wwq;lb1 = label1; lb2 = label2;public static int time()/开始运行到现在的时间，return Co nvert.Tol nt32(d.TotalSeco nds);public static int run Time()/程序实际运行的时间以秒为单位Pause.WaitO ne(); Pause.Release();int t = time() - uptime; return t;public void timeShow() while (true)Thread.Sleep(20);Pause.WaitO ne();P

26、ause.Release();IbTime.Text = (time()-uptime).ToStri ng();private void butt on 3_Click(object sen der, Even tArgs e)/件开始按钮点击事Thread threadtime = new Thread(timeShow);Con trol.CheckForlllegalCrossThreadCalls = false; threadtime.Start();butto n3.E nabled = false;/butt on 5.E nabled = false;/ 开始按钮 导入文件按

27、钮private void butt on 4_Click(object sen der, Even tArgs e)/ 暂停触发的事件TimeSpa n d;if (butto n4.Text ="Pause.WaitO ne();butto n4 .Text ="pause = DateTime.Now;else /继续Pause.Release();butto n4 .Text ="goon = DateTime.Now;d = goon. Subtract(pause);暂停")/暂停继续"暂停"uptime = uptime

28、+C on vert.To In t16(d.TotalSec on ds);private void butt on 1_Click(object sen der. Even tArgs e)Thread t1 = new Thread( newWriter);t1.Start();public void newWriter()新写者Writer w = new Writer(I nt32.Parse(textBox1.Text), I nt32.Parse(textB ox2.Text);textBox1.Text =""textBox2.Text ="&qu

29、ot;Thread thread = new Thread(w.write);Con trol.CheckForlllegalCrossThreadCalls = false;thread.Start();private void butt on 2_Click(object sen der, Even tArgs e)Thread thread = new Thread( newReader);thread.Start();private void n ewReader()新读者Reader r = new Reader(I nt32.Parse(textBox3.Text), I nt32

30、. Parse(textB ox4.Text);textBox3.Text =""textBox4.Text =""Thread t = new Thread(r.read);Con trol.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;t.Start();从文件开始private void butt on 5_Click(object sen der, Even tArgs e)/FileI nfo fi = new FileI nfo("D:ASP.NETduzhexiezheduzhexiezhedoc

31、 ume ntsrw.txt"); /TXT文件路径StreamReader sr = fi.Ope nText();while(!sr.E ndOfStream)string str = sr.ReadLine();char c = char.Parse(str.Split(' ')0);int t1 = in t.Parse(str.Split(' ')1);int t2 = in t.Parse(str.Split(' ')2);if (c.Equals('r')Reader r = new Reader(t1,

32、t2);Thread t = new Thread(r.read);Con trol.CheckForlllegalCrossThreadCalls = false; t.Start();if (c.Equals('w')Writer w = new Writer(t1,t2);Thread t = new Thread(w.write);Con trol.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false; t.Start();Thread threadtime = new Thread(timeShow);Con trol.CheckForIll

33、egalCrossThreadCalls = false; threadtime.Start();butt on 3.E nabled = false;butt on 5.E nabled = false;private void Form_Close(object sender, FormClosingEventArgs e) Environmen t.Exit(0);Applicati on .Exit();终止private void butt on 6_Click(object sen der, Even tArgs e)/this.Close();public class Reade

34、r/读者类public stri ng Id;public int In comeTime;public int ServerTime;public Reader(i nt ctime,i nt stime)In comeTime = ctime;ServerTime = stime;public void read()DataRow dr;dr"进程 dr"到达时间"=IncomeTime;dr"服务时间 ”=ServerTime;while (Form1.runTime() < IncomeTime)/下面if代码保证了写者优先读者需要先申请 Mut1,如果有写者在等待Fmutex,则读者被阻塞，写者优先/立即释放 Mut1，使写者可以随时申请到Mut1/不断测试有没有写者while(Form1.Wcou nt>0)/Thread.Sleep(100);Form1.Rco unt = Form1.Rco unt + 1;第一个读者进入时，申请Fmutex ;如有写者，第一个读者会阻塞在此处图书室没座位则阻塞/读操作;="读者”；= Forml.Rcou nt.ToStri ng();显示读