操作系统原理实验报告——读者写者

一、实验目的

1.现代操作系统的核心是多道程序设计、多处理器和分布式处理器，这些方案和操作系统设计技术的基础都是并发。当多个进程并发执行时，不论是在多处理器系统的情况下，还是在单处理器多道程序系统中，都会出现冲突和合作的问题。
2.理解操作系统中用互斥和同步解决问题。
3.用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的读者-写者问题从而掌握互斥与同步的基本理念。

二、实验内容

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。
三、实验步骤和思路

总原理：
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。

四、实验截图

五、实验总结

多进程和多线程是当今操作系统的一个很大的特色。本次实验就是通过一个读进程和一个写进程生成的多个读线程和多个写线程的并发执行来理解和体会Windows 的多线程处理机制。由于是初次接触涉及系统内部的程序设计，开始的时候，我感觉到有点茫然，因为我不知道从哪里下手开始做。我很认真地研读了老师提供的实验指导书，以期得到启发，但是还是觉得“万事开头难”，我虽然有些理解了，但是还不是很清晰，也就是说我的脑中还没有形成一个具体的程序架构。我看了材料中的那些函数，比如WaitForSingleObject、 WaitForMutipleObjects、CreatThread 等等。
通过此次实验，对线程及其同步机制有了较好的理解和掌握，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。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。同时也掌握而来实现线程同步的对象有Criticai_setion(关键段)，Event(事件)，Mutex(互斥对象)，Semaphores(信号量)。

#include "windows.h"
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#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;
using namespace std;
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("读者线程 %d 发来读请求.\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("读者线程 %d 开始读文件.\n",m_serial);
       Sleep(m_persist);//线程挂起
       //退出线程
       printf("读者线程 %d 完成读文件.\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("写者线程 %d 发来写请求.\n",m_serial);
       //等待资源
       EnterCriticalSection(&RP_Write);
       //写文件
       printf("写者线程 %d 开始写文件.\n",m_serial);
       Sleep(m_persist);
      //退出线程
       printf("写者线程 %d 完成写文件.\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);       
       ifstream inFile;
       inFile.open (file);
       printf("读者优先:\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("所有的读者写者完成操作.\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("读者线程 %d 发来读请求.\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("读者线程 %d 开始读文件.\n",m_serial);
        Sleep(m_persist);
       //退出线程
   printf("读者线程 %d 完成读操作.\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("写者线程 %d 发来写请求.\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("写者线程 %d 开始写文件.\n",m_serial);
       Sleep(m_persist);
       printf("写者线程 %d 完成写文件.\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("写者优先:\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("所有的读者写者完成操作.\n");
}
/
//主函数
int main(int argc,char *argv[])
{
       char ch;
       while(true)
       {
              printf("*************************************\n");
              printf("   1.读者优先\n");
              printf("   2.写者优先\n");
              printf("   3.退出\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("\n Press Any Key to Coutinue:");
              _getch();
              system("cls");
		}
       return 0;
}