操作系統(tǒng)課程設計報告-讀者寫著問題

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文檔簡介

1、　　計算機與信息學院　　操作系統(tǒng)課程設計報告　　開題報告　　該項課程設計的意義；　　更加深入的了解讀者寫者問題的算法；　　加深對線程，進

2、程的理解；　　加深對“線程同步”概念的理解，理解并應用“信號量機制”；　　熟悉計算機對處理機的管理，了解臨界資源的訪問方式；　　了解C++中線程的實現(xiàn)方式，研讀API。　　課程設計的任務　　多

3、進程/線程編程：讀者-寫者問題。 　　設置兩類進程/線程，一類為讀者，一類為寫者；　　隨機啟動讀者或?qū)懻撸?lt;/p>　　顯示讀者或?qū)懻邎?zhí)行狀態(tài)；　　隨著進程/線程的執(zhí)行，更新顯示；　　相關原理及

4、算法描述；　　整體概況：　　該程序從大體上來分只有兩個模塊,即“讀者優(yōu)先”和“寫者優(yōu)先”模塊.　　讀者優(yōu)先：　　如果沒有寫者正在操作，則讀者不需要等待，用一個整型變量readcount記錄讀者數(shù)目

5、，用于確定是否釋放讀者線程，readcount的初值為0.當線程開始調(diào)入時.每個讀者準備讀. 等待互斥信號,保證對readcount 的訪問,修改互斥.即readcount++.而當讀者線程進行讀操作時,則讀者數(shù)目減少(readcount--).當readcout=0 時，說明所有的讀者都已經(jīng)讀完，離開臨界區(qū)喚醒寫者(LeaveCriticalSection(&RP_Write);), 釋放互斥信號(ReleaseMutex(h

6、_Mutex)).　　還需要一個互斥對象mutex來實現(xiàn)對全局變量Read_count修改時的互斥. 另外，為了實現(xiàn)寫-寫互斥，需要增加一個臨界區(qū)對象Write。當寫者發(fā)出寫請求時，必須申請臨界區(qū)對象的所有權。通過這種方法，可以實現(xiàn)讀-寫互斥，當Read_count=1時（即第一個讀者到來時），讀者線程也必須申請臨界區(qū)對象的所有權　　寫

7、者優(yōu)先：　　寫者優(yōu)先與讀者不同之處在于一旦一個寫者到來，它應該盡快對文件進行寫操作，如果有一個寫者在等待，則新到來的讀者不允許進行讀操作。為此應當填加一個整形變量write_count，用于記錄正在等待的寫者的數(shù)目，write_count的初值為0.當線程開始調(diào)入時.只允許一個寫者準備讀. 等待互斥信號,保證對write_count 的訪問,修改互斥.即write_count

8、++.而當寫者線程進行讀操作時,則相應寫者數(shù)目減少(write_count--).當write_count=0 時，說明所有的讀者都已經(jīng)讀完，離開臨界區(qū)喚醒讀者,釋放互斥信號.　　為了實現(xiàn)寫者優(yōu)先，應當填加一個臨界區(qū)對象read，當有寫者在寫文件或等待時，讀者必須阻塞在read上。　　開發(fā)環(huán)境；

9、　　VC++6.0　　預期設計目標；　　讀者-寫者問題的讀寫操作限制（包括讀者優(yōu)先和寫者優(yōu)先）　　1.寫-寫互斥：不能有兩個寫者同時進行寫操作　　2.讀-寫互斥：不能同時有一個

10、線程在讀，而另一個線程在寫。　　3.讀-讀允許：可以有一個或多個讀者在讀。　　若讀者的優(yōu)先權比寫者高, 如果讀者申請進行讀操作時已有另一個讀者正在進行讀操作，則該讀者可直接開始讀操作.不必經(jīng)過別的操件　　若讀者的優(yōu)先權比寫者高,如果第一個寫者已經(jīng)占有了文件的時候.則別的讀者必需等待該操作完成后.才能開始讀操作.&

11、lt;/p>　　若寫者的優(yōu)先權比讀者高, 在一個寫者提出要訪問文件時，就必須使其盡可能的得到文件，而且不用調(diào)配。　　完成課程設計的任務，實現(xiàn)讀者寫者問題的全部要求，同時可以實現(xiàn)“讀者優(yōu)先”和“寫者優(yōu)先”兩種情況，有時間的話，爭取實現(xiàn)可視化圖形界面。　　課程設計報告&

12、lt;p>　　課程設計任務、要求、目的；　　任務和要求：　　多進程/線程編程：讀者-寫者問題。 　　設置兩類進程/線程，一類為讀者，一類為寫者；　　隨機啟動讀者或?qū)懻撸?lt;/p&

13、gt;　　顯示讀者或?qū)懻邎?zhí)行狀態(tài)；　　隨著進程/線程的執(zhí)行，更新顯示；　　目的：　　1 更加深入的了解讀者寫者問題的算法；　　2 加深對線程，進程的理解；　　3 加深對“

14、線程同步”概念的理解，理解并應用“信號量機制”；　　4 熟悉計算機對處理機的管理，了解臨界資源的訪問方式；　　5 了解C++中線程的實現(xiàn)方式，研讀API。　　原理及算法描述；　　寫者優(yōu)先原理圖：&

15、lt;/p>　　讀者優(yōu)先原理圖：　　算法描述：　　讀者優(yōu)先的附加限制：如果讀者申請進行讀操作時已有另一個讀者正在進行讀操作，則該讀者可直接開始讀操作。　　寫者優(yōu)先的附加限制：如果一個讀者申請進行讀操作時已有另一

16、個寫者在等待訪問共享資源，則該讀者必須等到?jīng)]有寫者處于等待狀態(tài)后才能開始讀操作。　　開發(fā)環(huán)境；　　VC++6.0　　重要算法和設計思路描述；　　整體概況：&l

17、t;/p>　　該程序從大體上來分只有兩個模塊,即“讀者優(yōu)先”和“寫者優(yōu)先”模塊.　　讀者優(yōu)先：　　如果沒有寫者正在操作，則讀者不需要等待，用一個整型變量readcount記錄讀者數(shù)目，用于確定是否釋放讀者線程，readcount的初值為0.當線程開始調(diào)入時.每個讀者準備讀. 等待互斥信號,

18、保證對readcount 的訪問,修改互斥.即readcount++.而當讀者線程進行讀操作時,則讀者數(shù)目減少(readcount--).當readcout=0 時，說明所有的讀者都已經(jīng)讀完，離開臨界區(qū)喚醒寫者(LeaveCriticalSection(&RP_Write);), 釋放互斥信號(ReleaseMutex(h_Mutex)).　　還需要一個互斥對象mutex來實現(xiàn)對全局變量

19、Read_count修改時的互斥. 另外，為了實現(xiàn)寫-寫互斥，需要增加一個臨界區(qū)對象Write。當寫者發(fā)出寫請求時，必須申請臨界區(qū)對象的所有權。通過這種方法，可以實現(xiàn)讀-寫互斥，當Read_count=1時（即第一個讀者到來時），讀者線程也必須申請臨界區(qū)對象的所有權　　寫者優(yōu)先：　　寫者優(yōu)先與讀者不同之處在于一旦一個

20、寫者到來，它應該盡快對文件進行寫操作，如果有一個寫者在等待，則新到來的讀者不允許進行讀操作。為此應當填加一個整形變量write_count，用于記錄正在等待的寫者的數(shù)目，write_count的初值為0.當線程開始調(diào)入時.只允許一個寫者準備讀. 等待互斥信號,保證對write_count 的訪問,修改互斥.即write_count++.而當寫者線程進行讀操作時,則相應寫者數(shù)目減少(write_count--).當write_count=

21、0 時，說明所有的讀者都已經(jīng)讀完，離開臨界區(qū)喚醒讀者,釋放互斥信號.　　為了實現(xiàn)寫者優(yōu)先，應當填加一個臨界區(qū)對象read，當有寫者在寫文件或等待時，讀者必須阻塞在read上。　　程序?qū)崿F(xiàn)---數(shù)據(jù)結構；　　相關WindowsAPI說明:　　CreateThread: 創(chuàng)建

22、一個在調(diào)用進程的地址空間中執(zhí)行的線程。　　ExitThread 　　Sleep: 對指定的時間間隔掛起當前的執(zhí)行線程　　CreateMutex: 創(chuàng)建有名或者無名的互斥對象　　ReleaseMutex:　　WaitForSingl

23、eObject: 當發(fā)生(1)指定對象處于信號態(tài)(2)超時則該函數(shù)返回　　WaitForMultipleObject: 任意一個或全部指定對象處于信號態(tài)或超時間隔已過時，返回　　CreateSemapore: 創(chuàng)建一個有名或無名信號對象。　　ReleaseSemapore: <p&

24、gt;　　InitializeCriticalSection: 初始化臨界區(qū)對象　　EnterCriticalSection: 等待指定臨界區(qū)對象的所有權。當調(diào)用線程被賦予所有權時，返回。　　LeaveCriticalSection:該函數(shù)釋放指定臨界區(qū)對象的所有權。　　程序?qū)崿F(xiàn)---程序清單；

25、;　　#include <windows.h>　　//#include <ctype.h>　　//#include <stdio.h>　　//#include <string.h>　　//#includ

26、e <stdlib.h>　　//#include <malloc.h>　　#include<iostream>　　using namespace std;　　#define MAX_PERSON 100 //最多100人<

27、/p>　　#define READER 0 //讀者　　#define WRITER 1 //寫者　　#define END -1 //結束　　//#define R READER<p&

28、gt;　　//#define W WRITER　　typedef struct 　　{　　HANDLE m_hThread;//定義處理線程的句柄　　int Type;//進程類型（讀寫）</p&g

29、t;　　int StartTime;//開始時間　　int WorkTime;//運行時間　　int ID;//進程號　　}Person;　　Person Persons[MAX_PERSON]

30、;　　int NumOfPerson = 0;　　long CurrentTime= 0;//基本時間片數(shù)　　int PersonLists[] = {//進程隊列　　1, WRITER, 3, 5,　　2, WRIT

31、ER, 16, 5,　　3, READER, 2, 2,　　4, WRITER, 6, 5,　　5, READER, 4, 3,　　6, READER, 17,7,　　END,</p&g

32、t;　　};　　int NumOfReading = 0;　　int NumOfWriteRequest = 0;//申請寫進程的個數(shù)　　HANDLE ReadSemaphore;//讀者信號　　HA

33、NDLE WriteSemaphore;//寫者信號　　bool finished = false; //所有的讀完成　　//bool wfinished = false; //所有的寫完成　　void CreatePersonList(int *pPersonList);<p&g

34、t;　　bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID);　　bool CreateWriter(int StartTime,int WorkTime,int ID);　　DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam);

35、　　DWORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam);　　int main()　　{　　ReadSemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,100,NULL); 　　//創(chuàng)建

36、信號量，當前可用的資源數(shù)為1，最大為100　　/*HANDLE CreateSemaphore(　　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, //lpSemaphoreAttributes為安全屬性　　LONG lInitialCount,

37、 //lInitialCount為Semaphore的初始值　　LONG lMaximumCount, //lMaximumCount為最大值　　LPCTSTR lpName //lpName為Se

38、maphore對象的名字，NULL表示創(chuàng)建匿名Semaphore　　);*/　　WriteSemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,100,NULL); //創(chuàng)建信號量，當前可用的資源數(shù)為1，最大為100　　CreatePersonList(Per

39、sonLists); // 創(chuàng)建所有讀者寫者　　cout<<"創(chuàng)建所有的讀者寫者"<<"\n...\n";　　CurrentTime = 0;　　while(true)　　{</b&g

40、t;　　CurrentTime++;　　Sleep(300); // 300 ms　　cout<<"當前時間 = "<<CurrentTime<<endl;　　if(finished) return 0;</p

41、>　　}　　// return 0;　　}　　void CreatePersonList(int *pPersonLists)　　{

42、;　　int i=0;　　int *pList = pPersonLists;　　bool Ret;　　while(pList[0] != END)&

43、lt;b>　　{　　switch(pList[1])　　{　　case READER:　　Ret = CreateReader(pList[2],pList[3],pList[0]);

44、　　break;　　case WRITER:　　Ret = CreateWriter(pList[2],pList[3],pList[0]);　　break;

45、　}　　if(!Ret)　　printf("Create Person %d is wrong\n",pList[0]);　　pList += 4; // 尋找下一個讀者或者寫者 <b&g

46、t;　　}　　}　　bool CreateReader(int StartTime,int WorkTime,int ID)　　{　　DWORD dwThreadID;<

47、/p>　　if(NumOfPerson >= MAX_PERSON)　　return false;　　Person *pPerson = &Persons[NumOfPerson];　　pPerson->ID = ID;

48、pPerson->StartTime = StartTime;　　pPerson->WorkTime = WorkTime;　　pPerson->Type = READER;　　NumOfPerson++;　　// 新建進程</b

49、>　　pPerson->m_hThread= CreateThread(NULL,0,ReaderProc,(LPVOID)pPerson,0,&dwThreadID); 　　/*HANDLE CreateThread(　　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttri

50、butes, // pointer to security attributes 安全屬性　　DWORD dwStackSize, // initial thread stack size 堆棧大小　　LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, //

51、 pointer to thread function 函數(shù)指針　　LPVOID lpParameter, // argument for new thread　　DWORD dwCreationFlags, // creation flags</p&

52、gt;　　LPDWORD lpThreadId // pointer to receive thread ID　　);*/　　if(pPerson->m_hThread == NULL)　　retur

53、n false;　　return true;　　}　　bool CreateWriter(int StartTime,int WorkTime,int ID)　　{ <

54、;p>　　DWORD dwThreadID;　　if(NumOfPerson >= MAX_PERSON) 　　return false;　　Person *pPerson = &Persons[NumOfPerson];　　pPerson->

55、;ID = ID;　　pPerson->StartTime = StartTime;　　pPerson->WorkTime = WorkTime;　　pPerson->Type = WRITER;　　NumOfPerson++;

56、　　// 新建進程　　pPerson->m_hThread= CreateThread(NULL,0,WriterProc,(LPVOID)pPerson,0,&dwThreadID);　　/*HANDLE CreateThread(　　LP

57、SECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // pointer to security attributes 安全屬性　　DWORD dwStackSize, // initial thread stack size 堆棧大小　　LPTHREAD_STA

58、RT_ROUTINE lpStartAddress, // pointer to thread function 函數(shù)指針　　LPVOID lpParameter, // argument for new thread　　DWORD dwCreationFlags,

59、 // creation flags　　LPDWORD lpThreadId // pointer to receive thread ID　　);*/　　if(pPerson->m_hThread ==

60、NULL)　　return false;　　return true;　　}　　DWORD WINAPI ReaderProc(LPVOID lpParam)//讀過程　　{&

61、lt;/b>　　Person *pPerson = (Person *)lpParam;　　// 等待啟動時間　　while(CurrentTime != pPerson->StartTime)　　{&l

62、t;/b>　　//讀操作還沒有到達執(zhí)行時間，則等待　　}　　printf("Reader %d is Requesting ...\n",pPerson->ID);　　printf("\n\n

63、************************************************\n");　　//等待寫者請求　　//該語句在寫者優(yōu)先的時候是認為寫者優(yōu)先級高于讀者，在有寫者的時候讀者需要等候，而在讀者優(yōu)先的時候，不用判斷是否存在寫者，有讀者時即開始讀操作。<p

64、>　　while(NumOfWriteRequest != 0)　　{　　//NumOfWriteRequest != 0 表示有寫者在等待，不能讀　　}　　//等待ReadSemaphor

65、e讀信號,即當ReadSemaphore有信號時等待結束，相當于p操作　　WaitForSingleObject(ReadSemaphore,INFINITE);　　/*DWORD WaitForMultipleObjects(　　CONST HANDLE *lpHandles, // pointer to t

66、he object-handle array　　DWORD dwMilliseconds // time-out interval in milliseconds　　);*/　　if(NumOfReading == 0)&l

67、t;b>　　{　　//當?shù)谝粋€讀者到了，如果WriteSemaphore信號燈滅了，說明有寫者在寫，讀者必須等待，即互斥寫操作　　WaitForSingleObject(WriteSemaphore,INFINITE); 　　}

68、　　NumOfReading++;　　//還有讀者，但是允許下一個讀進程讀取，相當于V操作　　ReleaseSemaphore(ReadSemaphore,1,NULL); 　　/*BOOL ReleaseSemaphore(　　HANDLE hSe

69、maphore,//lpReleaseCount參數(shù)表示要增加的數(shù)值　　LONG lReleaseCount, //lpPreviousCount參數(shù)用于返回之前的計算值，如果不需要可以設置為NULL 　　LPLONG lpPreviousCount　　)

70、;*/　　// 啟動讀者　　pPerson->StartTime = CurrentTime; 　　printf("Reader %d is Reading the Critical Section...\n",pPerson-&

71、gt;ID);　　printf("\n\n************************************************\n"); 　　while(CurrentTime <= pPerson->StartTime + pPerson->WorkTime)&

72、lt;b>　　{　　// .. 執(zhí)行讀操作　　}　　printf("Reader %d is Exit...\n",pPerson->ID);　　printf("\n\n

73、************************************************\n");　　WaitForSingleObject(ReadSemaphore,INFINITE);　　NumOfReading--;　　if(NumOfReading == 0)

74、　　{　　ReleaseSemaphore(WriteSemaphore,1,NULL);//此時沒有讀者，可以寫　　}　　ReleaseSemaphore(ReadSemaphore,1,NULL);

75、;　　if(pPerson->ID == 6 ) finished = true; //所有的讀寫完成　　ExitThread(0);　　return 0;　　}　　D

76、WORD WINAPI WriterProc(LPVOID lpParam)　　{　　Person *pPerson = (Person *)lpParam;　　// 等待啟動時間　　while(

77、CurrentTime != pPerson->StartTime) 　　{　　}　　printf("Writer %d is Requesting ...\n",pPerson->ID);</p&g

78、t;　　printf("\n\n************************************************\n"); 　　NumOfWriteRequest++;　　//在寫者優(yōu)先的時候需要用自加來初始信號值，而在讀者優(yōu)先的時是通過讀者操作來控制信號值

79、;　　WaitForSingleObject(WriteSemaphore,INFINITE);　　// 啟動寫者　　pPerson->StartTime = CurrentTime; 　　printf("Writer %d is Writting the C

80、ritical Section...\n",pPerson->ID);　　while(CurrentTime <= pPerson->StartTime + pPerson->WorkTime)　　{　　// .. 執(zhí)行寫操作</p&

81、gt;　　}　　printf("Writer %d is Exit...\n",pPerson->ID);　　printf("\n\n************************************************\n");</

82、p>　　NumOfWriteRequest--;　　ReleaseSemaphore(WriteSemaphore,1,NULL);　　if(pPerson->ID == 6 ) finished = true;//所有的讀寫完成　　ExitThread(0);

83、;　　return 0;　　}　　總結；　　本次的操作系統(tǒng)課程設計，收獲還是很大的。讀者寫者問題是一個經(jīng)典的多線程的問題，圖書館和網(wǎng)上都有很多資料，我也看了很多這方面的資料，應該

84、說這個課程設計為我更加深入的研究開了一個很好的頭。　　驗收的老師是xx老師，他當時問我怎么保證window下p，v操作的原子性，說實在的，我一直研究的是我程序的算法和實現(xiàn)，還真沒考慮過我用的底層API函數(shù)的具體特征這個問題，我武斷的認為windows底層已經(jīng)實現(xiàn)了原子性，他讓我回去再查資料，下次再驗收，還跟我講了很多他的研究生研究的課題與p，v操作有關，p，v操作的原子性至關重要。我查了很多資料

85、，還到csdn詢問了一些技術牛，雖然windows的API沒有明確說明WaitForSingleObject()（也就是windows的一種p操作）的原子性，但是在很多文獻和高手的博客中，證實了該函數(shù)的原子性。　　所以說這次課程設計不僅鍛煉了我代碼實現(xiàn)的能力，也是開拓了我的思路和想問題的方向，以及對細節(jié)的注重，再次感謝我的指導老師們，特別是xx老師對我的啟發(fā)。<p&

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