操作系统实验——进程同步（读者写者）C++代码实现
一、实验目的
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。
理解操作系统中用互斥和同步解决问题。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。
三、实验技术
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。
四、实验代码（C++）
#include "windows.h"
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
#define READER 'R' // 读者
#define WRITER 'W' // 写者
#define INTE_PER_SEC 1000 // 每秒时钟中断数目。
#define MAX_THREAD_NUM 64 // 最大线程数目
#define MAX_FILE_NUM 32 // 最大数据文件数目
#define MAX_STR_LEN 32 // 字符串长度
int readcount=0; // 读者数目
int writecount=0; // 写者数目
CRITICAL_SECTION RP_Write; //临界区
CRITICAL_SECTION cs_Write;
CRITICAL_SECTION cs_Read;
struct ThreadInfo
{
int serial; // 线程序号
char entity; //线程类别（判断读者线程还是写者线程）
double delay;
double persist;
};
// 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 发送读取申请.\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 开始文件读取操作.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
// 退出线程
printf("Reader thread %d 结束文件读取操作.\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)
{
//如果所有读者读完，唤醒写者
LeaveCriticalSection(&RP_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex); //释放互斥信号
}
// 读者优先--写者线程
//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); //延迟等待
printf("Writer thread %d 发送写入申请.\n",m_serial);
// 等待资源
EnterCriticalSection(&RP_Write);
//写文件
printf("Writer thread %d 开始文件写入操作.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
// 退出线程
printf("Writer thread %d 结束文件写入操作.\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); //打开文件
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')
{
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_ReaderThread),&thread_info[i],0,&thread_ID); //创建读者线程
}
else{
//创建写者线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
}
//等待所有线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf("所有的读写操作都已经成功完成！.\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 发送读取申请.\n",m_serial);
wait_for_mutex1= WaitForSingleObject(h_Mutex1,-1);
//进入读者临界区
EnterCriticalSection(&cs_Read);
// 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);
//修改读者数目
readcount++;
if(readcount==1)
{
//如果是第一个读者，等待写者写完
EnterCriticalSection(&cs_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex2); //释放互斥信号mutex2
// 让其他读者进入临界区
LeaveCriticalSection(&cs_Write);
ReleaseMutex(h_Mutex1);
//读文件
printf("Reader thread %d 开始文件读取操作.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
// 退出线程
printf("Reader thread %d 结束文件读取操作.\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 m_delay; // 延迟时间
DWORD m_persist; // 写文件持续时间
int m_serial; //线程序号
DWORD wait_for_mutex3;
//互斥对象
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 发送写入申请.\n",m_serial);
// 阻塞互斥对象mutex3，保证对writecount的访问、修改互斥
wait_for_mutex3= WaitForSingleObject(h_Mutex3,-1);
writecount++; //修改读者数目
if(writecount==1)
{
//第一个写者，等待读者读完
EnterCriticalSection(&cs_Read);
}
ReleaseMutex(h_Mutex3);
//进入写者临界区
EnterCriticalSection(&cs_Write);
//写文件
printf("Writer thread %d 开始文件写入操作.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
// 退出线程
printf("Writer thread %d 结束文件写入操作.\n",m_serial);
//离开临界区
LeaveCriticalSection(&cs_Write);
// 阻塞互斥对象mutex3，保证对writecount的访问、修改互斥
wait_for_mutex3= WaitForSingleObject(h_Mutex3,-1);
writecount--; //修改读者数目
if(writecount==0)
{
//写者写完，读者可以读
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; //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_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");
//线程对象
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM];
ThreadInfo thread_info[MAX_THREAD_NUM];
readcount=0; // 初始化 readcount
writecount=0; // 初始化writecount
InitializeCriticalSection(&cs_Write); //初始化临界区
InitializeCriticalSection(&cs_Read);
ifstream inFile;
inFile.open(file); //打开文件
printf("Writer 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')
{
//创建读者线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
else{
//创建写者线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
}
//等待所有线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf("所有的读写操作都已经成功完成！\n");
}
//主函数
int main(int argc,char* argv[])
{
char ch;
while (true)
{
//打印提示信息
printf("************************************************\n");
printf(" 1:(当读写操作发送冲突时候)读者优先\n");
printf(" 2:(当读写操作发送冲突时候)写者优先\n");
printf(" 3:退出系统\n");
printf("************************************************\n");
printf(" 作者：CSDN Carmelo_7 主页： https://blog.csdn.net/Carmelo_7?spm=1000.2115.3001.5343\n");
printf("Enter your choice(1,2 or 3): ");
//如果输入信息不正确，继续输入
do{
ch=(char)_getch( );
}while(ch != '1' &&ch != '2' && ch != '3');
system("cls");
//选择3，返回
if(ch=='3')
return 0;
//选择1，读者优先
else if(ch=='1')
ReaderPriority("thread.dat");
//选择2，写者优先
else if(ch=='2')
WriterPriority("thread.dat");
//结束
printf("\n输入任意键继续: ");
_getch( );
system("cls");
}
return 0;
}