读者-写者 操作系统实验报告 计算机操作系统

4.1实验二：读者写者问题4.1.1实验要求在Windows环境下，创建一个控制台进程，此进程包含n个线程。用这n个线程来表示n个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件（后面有介绍）的要求进行读写操作。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（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，即不能同时有一个线程在读，而另一个线程在写。3）读-读允许，即可以有一个或多个读者在读。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个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、开始读写操作和结果读写操作时分别显示一行提示信息，以确定所有处理都遵守相应的读写操作限制。4.1.2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，各个字段间用空格分隔。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，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，延迟相应时间（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：1R352W453R524R655W5.13注意：在创建数据文件时，由于涉及到文件格式问题，最好在记事本中手工逐个键入数据，而不要拷贝粘贴数据，否则，本示例程序运行时可能会出现不可预知的错误。4.1.3实习分析可以将所有读者和所有写者分别存于一个读者等待队列和一个写者等待队列中，每当读允许时，就从读者队列中释放一个或多个读者线程进行读操作；每当写允许时，就从写者队列中释放一个写者进行写操作。1.读者优先读者优先指的是除非有写者在写文件，否则读者不需要等待。所以可以用一个整型变量read-count记录当前的读者数目，用于确定是否需要释放正在等待的写者线程（当read-count=0时，表明所有的读者读完，需要释放写者等待队列中的一个写者）。每一个读者开始读文件时，必须修改read-count变量。因此需要一个互斥对象mutex来实现对全局变量read-count修改时的互斥。另外，为了实现写-写互斥，需要增加一个临界区对象write。当写者发出写请求时，必须申请临界区对象的所有权。通过这种方法，也可以实现读-写互斥，当read-count=1时（即第一个读者到来时），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时，写者阻塞在临界区对象write上。当写者拥有临界区的所有权时，第一个读者判断完“read-count==1”后阻塞在write上，其余的读者由于等待对read-count的判断，阻塞在mutex上。2.写者优先写者优先与读者优先类似。不同之处在于一旦一个写者到来，它应该尽快对文件进行写操作，如果有一个写者在等待，则新到来的读者不允许进行读操作。为此应当添加一个整型变量write-count，用于记录正在等待的写者数目，当write-count=0时，才可以释放等待的读者线程队列。为了对全局变量write-count实现互斥，必须增加一个互斥对象mutex3。为了实现写者优先，应当添加一个临界区对象read，当有写者在写文件或等待时，读者必须阻塞在read上。读者线程除了要对全局变量read-count实现操作上的互斥外，还必须有一个互斥对象对阻塞read这一过程实现互斥。这两个互斥对象分别命名为mutex1和mutex2。4.1.4相关API函数说明1.CreateThread函数功能：该函数创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程。函数原型：HANDLECreateThread(LPSECURITY-ATTRIBUTESlpThreadAttributes,DWORDdwStackSize,LPTHREAD-START-TOUTINElpStartAddress,LPVOIDlpParameter,DWORDdwCreationFlags,LLPDWORDlpThreadId);参数：·lpThreadAttributes：指向一个SECURITY-ATTRIBUTES结构，该结构决定了返回的句柄是否可被子进程继承。若lpThreadAttributes为NULL，则句柄不能被继承。在WindowsNT中该结构的lpSwcurityDescriptor成员定义了新进程的安全性描述符。若lpThreadAttributes为NULL，则线程获得一个默认的安全性描述符。·dwStackSize：定义原始堆栈提交时的大小（按字节计）。系统将该值舍入为最近的页。若该值为0，或小于默认时提交的大小，默认情况是使用与调用线程同样的大小。更多的信息，请看ThreadStackSize。·lpStartAddress：指向一个LPTHREAD-START-TOUTINE类型的应用定义的函数，该线程执行此函数。该指针还表示远程进程中线程的起始地址。该函数必须存在于远程进程中。·lpParameter：定义一个传递给该进程的32位值。·dwCreationFlags：定义控制进程创建的附加标志。若定义CREATE-SUSPENDED标志，线程创建时处于挂起状态，并且直到ResumeThread函数调用时才能运行。若该值为0，则该线程在创建后立即执行。·lpThreadId：指向一个32位值，它接收该线程的标识符。返回值：若函数调用成功，返回值为新线程的句柄；若函数调用失败，返回值为NULL。备注：新线程的句柄创建时设为THREAD-ALL-ACCESS访问权限。若未提供安全性描述符，则该句柄可被任何要求一个线程对象句柄的函数所使用。若提供了安全性描述符，则以后使用该句柄时，将在授权访问以前执行访问检查。若访问检查被拒绝访问，则请求进程不能使用该句柄获得对该线程的访问。线程从lpStartAddress参数定义的函数处开始执行。若该函数返回，系统将默认地认为以调用ExitThread函数的方法终止该线程。使用GetExitCodeThread函数来获得线程的返回值。线程创建时拥有THREAD-PRIORITY-NORMAL优先权。使用GetThreadPriority和SetThreadPriority函数可以获得和设置线程的优先权值。一个线程终止时，该线程对象被设为发信号状态，以满足在该对象上等待的所有进程。一个线程对象始终存在于系统中，直到该线程终止，且它所有的句柄都已通过调用CloseHandle函数关闭。2.ExitThread函数功能：该函数结束一个线程。函数原型：VOIDExitThread（DWORDdwExitcode）；参数：·dwExitcode：定义调用线程的退出代码。使用GetExitcodeThread函数来检测一个线程的退出代码。返回值：无。备注：调用ExitThread函数，是结束一个线程的较好的方法。调用该函数后（或者直接地调用，或者从一个线程过程返回），当前线程的堆栈取消分配，线程终止。若调用该函数时，该线程为进程的最后一个线程，则该线程的进程也被终止。线程对象的状态变为发信号状态，以释放所有正在等待该线程终止的其他线程。线程的终止状态从STILL-ACTIVATE变为dwExitcode参数的值。线程结合时不必从操作系统中移去该线程对象。当线程的最后一个句柄关闭时，该线程对象被删除。3.SLEEP函数功能：该函数对于指定的时间间隔挂起当前的执行线程。函数原型：VOIDSLEEP（DWORDdwMilliseconds）；参数：·dwMilliseconds：定义挂起执行线程的时间，以毫秒（ms）为单位。取值为0时，该线程将如余下的时间片交给处于就绪状态的同一优先级的其他线程。若没有处于就绪状态的同一优先级的其他线程，则函数立即返回，该线程继续执行。若取值为INFINITE则造成无限延迟。返回值：该函数没有返回值。备注：一个线程可以在调用该函数时将睡眠时间设为0ms，以将剩余的时间片交出。4.CreateMutex函数功能：该函数创建有名或者无名的互斥对象。函数原型：HANDLECreateMutex(LPSECURITY-ATTRIBUTESlpMutexAttributes,BOOLbInitialOwner,LPCTSTRlpName);参数：·lpMutexAttributes：指向SECURITY-ATTRIBUTES结构的指针，该结构决定子进程是否能继承返回句柄。如果lpMutexAttributes为NULL，那么句柄不能被继承。在WindowsNT中该结构的lpSwcurityDescriptor成员指定新互斥对象的安全性描述符。若lpThreadAttributes为NULL，那么互斥对象获得默认的安全性描述符。·bInitialOwner：指定互斥对象的初始所属身份。如果该值为TRUE，并且调用者创建互斥对象，那么调用线程获得互斥对象所属身份。否则，调用线程不能获得互斥对象所属身份。判断调用者是否创建互斥对象请参阅返回值部分。·lpName：指向以NULL结尾的字符串，该字符串指定了互斥对象名。该名字的长度大于MAX-PATH且可以包含除反斜线（\）路径分隔符以外的任何字符。名字是区分大小写的。如果lpName与已存在的有名互斥对象相匹配，那么该函数要求用MUTEX-ALL-ACCESS权限访问已存在的对象。在这种情况下，由于参数bInitialOwner已被创建进程所设置，该参数被忽略。如果参数lpMutexAttributes不为NULL，它决定句柄是否解除继承，但是其安全描述符成员被忽略。如果lpName为NULL，那么创建的互斥对象无名。如果lpName与已存在的事件、信号量、可等待定时器、作业或者文件映射对象的名字相匹配，那么函数调用失败，并且GetLastError函数返回ERROR-INVALID-HANDLE，其原因是这些对象共享相同的名字空间。返回值：如果函数调用成功，返回值为互斥对象句柄；如果函数调用之前，有名互斥对象已存在，那么函数给已存在的对象返回一个句柄，并且函数GetLastError返回ERROR-ALREADY-EXISTS，否则，调用者创建互斥对象。如果函数调用失败，则返回值为NULL。若想获得更多错误信息，请调用GetLastError函数。备注：由函数CreateMutex返回的句柄有MUTEX-ALL-ACCESS权限可以去访问新的互斥对象，并且可用在请求互斥对象句柄的任何函数中。调用进程中的任何线程可以可以在调用等待函数时指定互斥对象句柄。当指定对象的状态为信号态时，返回单对象等待函数。当任何一个或者所有的互斥对象都为信号态时，返回多对象等待函数指令。等待函数返回后，等待的线程被释放，继续向下执行。当一个互斥对象不被任何线程拥有时，处于信号态。创建该对象的线程可以使用bInitialOwner标志来请求立即获得对该互斥对象的所有权。否则，线程必须使用等待函数来请求所有权。当互斥对象处于信号态，等待的线程获得对该对象的所有权时，此互斥对象的状态被设置为非信号态，等待函数返回。任意时刻，仅有一个线程能拥有该互斥对象，线程可以使用ReleaseMutex函数来释放对这个互斥对象的所有权。若线程已经拥有了一个互斥对象，那么它可以重复调用等待函数而不会发生阻塞，一般情况下，用户不会重复等待同一个互斥对象，这种机制防止了线程因等待它已经拥有的互斥对象而发生死锁。然而，线程必须为每一次等待调用一次ReleaseMutex函数来释放该互斥对象。两个或多个互斥进程可以调