操作系统内核实验之 读者-写者实现

操作系统内核实验[/b]之 读者-写者实现
第一部分：说明[/b][/b]
读者-写者问题经典的线程同步问题的一个模型，于是我制作本文，希望对学习操作系统实现的有所帮助！更希望和广大编程爱好者交朋友！至于读者-写者问题我在这也不详细的叙述了，既然您看到这个文档，我想你应该是理解了读者写者问题的了，所以我直接从代码入手，同时有简单的说明。如果你有什么地方看不懂，可以以以下的方式联系我：
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特别说明：本问文档的实现技术是：
《windows内核实验教程》 机械工业出版社ISBN:7-111-10880-9/TP.2600
其中的版权也归原书所有！我希望见到本文档的人可以保证原书的版权！我只是对其中的部分进行了整理！
特别提示：[/b][/b]
如果为了测试您对操作系统理论水平和设计，那么希望你先不要看本文档！自己独立的试着设计！

第二部分：实现
操作系统实验之 读者-写者实现代码说明文档
/////////////////////////////////

读者-写者的读写限制（包括读者优先和写者优先）
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2个以上的读者同时读
读者优先的限制：
如果一个读者申请读操作时，已经有一个读者在读，则该读者可以直接读
写者优先的限制：
如果一个读者申请读操作时，有写者在等待访问共享资源时，则该读者要等到没有写者处于等的状态时才能开始读操作
/////////////////////////////////
测试数据的格式
在文件 thread.dat 中，
1 r 3 5
2 w 4 5
....
其中第一个代表线程的ID，第二个字段代表是读操作还是写操作，第三个字段代表操作的开始时间，第4个字段是持续时间。
/////////////////////////////////
分析：

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。
//////////////////////////////////////

所用的API: 参数略（MSDN查看）//代码中有部分没有使用，但是可以在其他地方自己设计程序的时候使用。
1.CreateThread()；
2.ExitThread();
3.Sleep();
4.CreateMutex();
5.ReleaseMutex();
6.WaitForSingleObject();
7.WaitForMutipleObjects();
8.CreateSemapore();
9.ReleaseSemapore();
10.InitializeCriticalSection();
11.EnterCriticalSection();
12.LeaveCriticalSection();
///////////////////////////////////
原代码文件名：
1.ReaderAndWriter.CPP // 具体的实现
2.thread.dat //辅助的文件，但是必不可以少。

第三部分：代码[/b][/b]
一．[/b]ReaderAndWriter.CPP[/b]文件的具体内容：[/b] [/b]
// 来自:windows 内核实验教程
// 机械工业出版社
// ISBN:7-111-10880-9/TP.2600
//制作者:yuhejun@126.com
// For more information:www.surstar.com
// 2005.11.9
// beijing changping
// Debug Vision
// Description:这是一个关于操作系统内核实验的一段程序,读者和写者的问题的模拟实现.
// 开发环境:WINXP +VC6 Console Application

#include "windows.h"
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fstream.h>
#include <io.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

#define READER 'R' //读者
#define WRITER 'W' //写者
#define INTE_PER_SEC 1000 //每秒时钟中断的数目
#define MAX_THREAD_NUM 64 //最大线程数
#define MAX_FILE_NUM 32 //最大文件数目数
#define MAX_STR_LEN 32 //字符串的长度

int readcount=0; //读者数目
int writecount=0; //写者数目
CRITICAL_SECTION RP_Write; //临界资源
CRITICAL_SECTION cs_Write;
CRITICAL_SECTION cs_Read;
struct ThreadInfo
{
int serial; //线程序号
char entity; //线程类别(判断是读者还是写者线程)
double delay; //线程延迟时间
double persist; //线程读写操作时间
};

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 读者优先---读者线程
//P:读者线程信息

void RP_ReaderThread(void *p)
{

//互斥变量
HANDLE h_Mutex;
h_Mutex=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex_for_readcount");

DWORD wait_for_mutex; //等待互斥变量所有权
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //读文件持续时间
int m_serial; //线程序号
// 从参数中获得信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay); //延迟等待

printf("Reader thread %d sents the reading require./n",m_serial);

//等待互斥信号,保证对ReadCount 的访问,修改互斥
wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1);
//读者数目增加
readcount++;
if(readcount==1)
{
//第一个读者,等待资源
EnterCriticalSection(&RP_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex); //释放互斥信号

//读文件
printf("Reader thread %d begins to read file./n",m_serial);
Sleep(m_persist);

//退出线程
printf("Reader thread %d finished reading file./n",m_serial);
//等待互斥信号,保证对ReadCount的访问,修改互斥
wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1);
//读者数目减少
readcount--;
if(readcount==0)
{
//如果所有的读者读完,唤醒写者
LeaveCriticalSection(&RP_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex); //释放互斥信号
}

//////////////////////////////////////////////////////////////
//P:写者线程信息

void RP_WriterThread(void *p)
{
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //写文件持续时间
int m_serial; //线程序号
// 从参数中获得信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay);

printf("Write thread %d sents the writing require./n",m_serial);

//等待资源
EnterCriticalSection(&RP_Write);

//写文件
printf("Writer thread %d begins to write to the file./n",m_serial);
Sleep(m_persist);

//退出线程
printf("Write thread %d finished writing to the file./n",m_serial);
//释放资源
LeaveCriticalSection(&RP_Write);
}

//////////////////////////////////////////////////////////////
//读者优先处理函数
//file:文件名

void ReaderPriority(char *file)
{
DWORD n_thread=0; //线程数目
DWORD thread_ID; //线程ID
DWORD wait_for_all; //等待所有线程结束

//互斥对象
HANDLE h_Mutex;
h_Mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_readcount");

//线程对象的数组
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM];
ThreadInfo thread_info[MAX_THREAD_NUM];

readcount=0; //初始化readcount
InitializeCriticalSection(&RP_Write); //初始化临界区
ifstream inFile;
inFile.open (file);
printf("Reader Priority:/n/n");
while(inFile)
{
//读入每一个读者,写者的信息
inFile>>thread_info[n_thread].serial;
inFile>>thread_info[n_thread].entity;
inFile>>thread_info[n_thread].delay;
inFile>>thread_info[n_thread++].persist;
inFile.get();
}
for(int i=0;i<(int)(n_thread);i++)
{
if(thread_info[i].entity==READER||thread_info[i].entity =='r')
{
//创建读者进程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_ReaderThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
else
{
//创建写线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}

}
//等待所有的线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf("All reader and writer have finished operating./n");
}

////////////////////////////////////////////////////////
//写者优先---读者线程
//P:读者线程信息

void WP_ReaderThread(void *p)
{

//互斥变量
HANDLE h_Mutex1;
h_Mutex1=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex1");
HANDLE h_Mutex2;
h_Mutex2=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex2");

DWORD wait_for_mutex1; //等待互斥变量所有权
DWORD wait_for_mutex2;
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //读文件持续时间
int m_serial; //线程的序号
//从参数中得到信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;

m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay); //延迟等待

printf("Reader thread %d sents the reading require./n",m_serial);
wait_for_mutex1=WaitForSingleObject(h_Mutex1,-1);

//读者进去临界区
EnterCriticalSection(&cs_Read);

//阻塞互斥对象Mutex2,保证对readCount的访问和修改互斥
wait_for_mutex2=WaitForSingleObject(h_Mutex2,-1);
//修改读者的数目
readcount++;
if(readcount==1)
{
// 如果是第1个读者,等待写者写完
EnterCriticalSection(&cs_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex2);// 释放互斥信号 Mutex2
//让其他读者进去临界区
LeaveCriticalSection(&cs_Read);
ReleaseMutex(h_Mutex1);
//读文件
printf("Reader thread %d begins to read file./n",m_serial);
Sleep(m_persist);

//退出线程
printf("Reader thread %d finished reading file./n",m_serial);
//阻塞互斥对象Mutex2,保证对readcount的访问,修改互斥
wait_for_mutex2=WaitForSingleObject(h_Mutex2,-1);
readcount--;
if(readcount==0)
{
//最后一个读者,唤醒写者
LeaveCriticalSection(&cs_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex2); //释放互斥信号
}

///////////////////////////////////////////
//写者优先---写者线程
//P:写者线程信息

void WP_WriterThread(void *p)
{
DWORD wait_for_mutex3; //互斥变量
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //读文件持续时间
int m_serial; //线程序号

HANDLE h_Mutex3;
h_Mutex3=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex3");

//从参数中获得信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay); //延迟等待

printf("Writer thread %d sents the reading require./n",m_serial);
wait_for_mutex3=WaitForSingleObject(h_Mutex3,-1);
writecount++; //修改写者数目
if(writecount==1)
{
EnterCriticalSection(&cs_Read);
}
ReleaseMutex(h_Mutex3);
EnterCriticalSection(&cs_Write);
printf("Writer thread %d begins to write to the file./n",m_serial);
Sleep(m_persist);

printf("Writer thread %d finished writing to the file./n",m_serial);
LeaveCriticalSection(&cs_Write);

wait_for_mutex3=WaitForSingleObject(h_Mutex3,-1);
writecount--;
if(writecount==0)
{
LeaveCriticalSection(&cs_Read);
}
ReleaseMutex(h_Mutex3);
}
/////////////////////////////////////////////
//写者优先处理函数
// file:文件名

void WriterPriority(char * file)
{
DWORD n_thread=0;
DWORD thread_ID;
DWORD wait_for_all;

HANDLE h_Mutex1;
h_Mutex1=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex1");
HANDLE h_Mutex2;
h_Mutex2=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex2");
HANDLE h_Mutex3;
h_Mutex3=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex3");
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM];
ThreadInfo thread_info[MAX_THREAD_NUM];

readcount=0;
writecount=0;
InitializeCriticalSection(&cs_Write);
InitializeCriticalSection(&cs_Read);

ifstream inFile;
inFile.open (file);
printf("Writer priority:/n/n");
while(inFile)
{
inFile>>thread_info[n_thread].serial;
inFile>>thread_info[n_thread].entity;
inFile>>thread_info[n_thread].delay;
inFile>>thread_info[n_thread++].persist;
inFile.get();
}
for(int i=0;i<(int)(n_thread);i++)
{
if(thread_info[i].entity==READER||thread_info[i].entity =='r')
{
//创建读者进程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_ReaderThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
else
{
//创建写线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}

}
//等待所有的线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf("All reader and writer have finished operating./n");
}

/////////////////////////////////////////////////////
//主函数
int main(int argc,char *argv[])
{
char ch;
while(true)
{
printf("*************************************/n");
printf(" 1.Reader Priority/n");
printf(" 2.Writer Priority/n");
printf(" 3.Exit to Windows/n");
printf("*************************************/n");
printf("Enter your choice(1,2,3): ");
do{
ch=(char)_getch();
}while(ch!='1'&&ch!='2'&&ch!='3');
system("cls");
if(ch=='3')
return 0;
else if(ch=='1')
ReaderPriority("thread.dat");
else
WriterPriority("thread.dat");
printf("/nPress Any Key to Coutinue:");
_getch();
system("cls");
}
return 0;
}

二．[/b]thread.dat [/b]的内容[/b][/b]
1 r 3 5
2 w 4 5
3 r 5 2
4 r 6 5
5 w 5.1 3

第四部分：免责声明[/b][/b]
1． 希望大家保持本文档的完整性。
2． 如果你要使用其中的代码，请著名：版权归原书所有。
3． 请不要想其他的人随便传递此文档，本人不担当任何后果。

二〇〇四年十一月十四日星期日