经典同步问题（三）---读者写者问题

1. 问题描述

有读者和写者两组并发线程，共享一个数据库，当两个或以上的读线程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写线程和其他线程（读线程或写线程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求：

允许多个读者可以同时对文件执行读操作；
只允许一个写者往文件中写信息；
任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；
写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。
也就是说，读进程不排斥其他读进程，而写进程需要排斥其他所有进程，包括读进程和写进程。

2. 问题分析

关系分析：由题目分析可知，读者和写者是互斥的，写者和写者也是互斥的，而读者和读者不存在互斥问题。
整理思路：写者是比较简单的，它与任何线程互斥，用互斥信号量的 PV 操作即可解决。读者的问题比较复杂，它必须实现与写者的互斥，多个读者还可以同时读。解决方案有两种：读写优先与写者优先。
读写优先：只要有一个读者处于活动状态（正在读），后来的读者即使比写者后到也会被接纳。如果读者源源不断地出现的话，那么写着就始终处于阻塞状态，直到所有读者读完为止。
写者优先：一旦写者就绪，那么写着会尽可能快地执行写操作。如果写者源源不断地出现的话，那么读者就始终处于阻塞状态。

3. 使用信号量实现

3.1 读者优先
读进程只要看到有其他读进程正在访问文件，就可以继续作读访问；写进程必须等待所有读进程都不访问时才能写文件，即使写进程可能比一些读进程更早提出申请。可以使用一个计数器rcount记录读者总数目（包含等待和正在读的数目），如果rcount大于0则写者等待，而读者直接读。当rcount==0写者与写者、写者与第一个读者抢占读写操作，这可以用一个二元信号量wt进行互斥访问。因为多个读者线程都要访问计数器，则使用一个二元信号量mutex进行互斥访问。

void writer
{
    while(true)
    {
        P(wt);
        write();
        V(wt);
     }
 }
 void reader()
 {
     while(true)
     {
         P(mutex)           //对rcount进行互斥访问
         rcount++;  
         if(rcount==1)      
             P(wt)          //如果是第一个读者，与写者互斥抢占数据库
         V(mutex)

         read()

         P(mutex)          //对rcount进行互斥访问
         rcout--;
         if(rcount==0)
             V(wt)         //如果是最后一个读者，释放数据库所有权
         V(mutex)
     }
}

对于读者优先，在读访问非常频繁的场合，有可能造成写进程一直无法访问文件而饿死的局面。
3.2 写者优先
使用一个计数器wcount记录当前写者的总数据（包含等待和正在写的线程的数据）。当wcount>0，使用信号量read禁止所有的读进程。为了对wcount进行互斥访问，需要使用一个二元信号量wtmutex。
如果当前有读者正在写，写者需要阻塞，所以读者需要定义一个计数器rcount来记录当前正在读的线程数目，当rcount=0时写者才可以写数据。rdmutex为了对rcount互斥访问。
对于读进程，处理read信号量，还需要一个额外的信号量x，这样防止在read信号量等待着大量的读进程。

void reader()
{
    while(true)
    {
        P(x)                 //用来保证阻塞在read信号中排队的读者至多只有一个。其余的阻塞在x上
        P(read)              //等待是否有写进程
        P(rdmutex)           //对rcount进行互斥访问
        if(rcount ==0)       //如果是第一个读操作，与写者互斥抢占数据库
           P(wt)
        rcoutn++;
        V(rdmutex)
        V(read)
        V(x)
        读操作
        P(rdmutex)           //对rcount进行互斥访问
        rcount--;
        if(rcount==0)        //如果是最后一个读者，释放数据库所有权
            V(wt)
        V(rdmutex)
    }
}
void writer()
{
    while(true)
    {
        P(wtmutex)
        if(0 == wcount)
            P(read)             //与写操作
        wcount++;
        V(wtmutex)
        P(wt)
        写
        V(wt)
        P(wtmutex)
        wcount--;
        if(wcount==0)
            V(read)
        V(wtmutex)
    }
}

reader函数使用信号量x的必要性：假如没有使用信号量x，考虑开始只有写线程，那么后来的读线程就会全部阻塞在P(read)中。当wcount==0，读线程开始转为就绪开始执行，当这时又有写线程，那么写线程就会阻塞在P(read)中，直到前面所有阻塞在read信号量的读线程都执行完。引入信号量x的目的就是：只让一个读线程阻塞在read中，其余所有的线程阻塞在x中，这样即使前面等待了大量的读线程，但由于只有一个线程阻塞在read，那么写线程也会立即执行。

3. 使用条件变量实现

3.1 写者优先
使用AW表示正在写的线程，WW表示正在等待写的线程。
AR表示正在读的线程，WR表示正在读的线程。
使用锁lock对AW WW AR WR进行互斥访问。
okToread okTowrite为条件变量。

AR = 0;
AW = 0;
WR = 0;
WW = 0;
Condition okToRead;
Condition okToWrite;
Lock lock;
void reader()
{
    while(true)
    {
        startread();  //等，直到没有在等待或正在写的写者
        read;
        doneread();   //如果有等待的写者，唤醒写者
    }
}
void startread()
{
    lock.acquire();
    while((WW+AW)>0)  //如果有在等待或正在写的写者，读者阻塞
    {
        WR++;
        okToread.wait(&lock);
        WR--;
    }
    AR++;
    lock.release();
 }
 void doneread()
 {
     lock.require();
     AR--;
     if(AR==0 && WW>0)     //如果正在读的读者为零且有在等待的写者，唤醒写者
         okToWrite.signal();
     lock.release();
 }

void writer()
{
    while(true)
    {
        startwrite(); //等，直到没有正在写的读者或写者
        write;
        donewrite();  //如果有正在等待的写者，唤醒，否则如果有正在等待的读者，唤醒
     }
 }
 void startwrite()
 {
     lock.require();
     while((AR + AW) >0 )  //如果有正在写的读者或写者，写者等待
     {
         WW++;
         okTowrite.wait(&lock);
         WW--;
      } 
      AW++;
      lock.release();
  }
  void donewrite()
  {
      lock.require();
      AW--;      
      if(WW>0)          //如果有写者等待，唤醒写者
          okTowrite.signal();
      else if(WR>0)    //如果有读者等待，唤醒读者
          okToread.broadcast();
      lock.release();
   }

3.2 读者优先

AR = 0;
AW = 0;
WR = 0;
WW = 0;
Condition okToRead;
Condition okToWrite;
Lock lock;
void reader()
{
    while(true)
    {
        startread();  //等，直到没有正在写的写者
        read;
        doneread();   //如果没有读者且有写者等待，唤醒写者
    }
}
void startread()
{
    lock.require();
    while(AW>0)     //如果有正在写的写者，读者等待
    {
        WR++;
        okToRead.wait(&lock);
        WR--;
    }
    AR++;
    lock.release();
}
void doneread()
{
    lock.require();
    AR--;
    if((AR+WR)==0  && WW>0)   //如果没有读者且有等待的写者，唤醒写者
        okTowrite.signal();
    lock.release();
 }
void writer()
{
    while(true)
    {
        startwrite(); //wait until no readers/writers
        write;
        donewrite();  //checkout-wake up waiting readers/writers
     }
 }
 void startwrite()
 {
     lock.require();
     while((AR + WR + AW)>0)  //如果有读者或正在写的写者，写者等待
     {
         WW++;
         okTowrite.signal();
         WW--;
     }
     AW++;
     lock.release();
 }
 void donewrite()
 {
     lock.release();
     AW--;
     if(WR>0)           //如果有等待的读者，唤醒读者
         okToread.broadcast();
     else if(WW>0)     //如果有等待的写者，唤醒写者
         okTowrite.signal();
     lock.release();
 }

4. 参考

1. 顶你学堂 操作系统 《第十章 信号量与管程》经典同步问题1-3
2. 《读者写者问题–使用信号量的读者优先与写者优先程序分析》 给出了写者优先使用信号量x的必要性
3. 操作系统——读者写者问题详解 除给出了读者优先、写者优先，还给出了公平竞争算法。