读者写者
操作系统课程设计实验报告
设计题目四：读者写者
一、设计题目要求
（1）掌握信号量通信机制，实现进程之间通过信号进行通信；
（2）掌握匿名管道及有名管道通信机制，实现进程之间通过管道进行通信；
（3）理解System V IPC通信机制工作原理；
（4）掌握共享内存、消息、管道、信号量通信实现方法。
二、实验说明
（1）利用共享主存解决读者-写者问题
（2）要求由写者创建一个共享主存，并向其中写入数据，读者进程随后从该共享区 中访问数据
三、程序设计思路及流程图
程序功能简介：
读者功能描述：有一个数据块被多个用户共享，读者部分对数据块是只读的，而且允许多个读者同时读；
写者功能描述： 写者部分对数据块是只写的，当一个写者正在向数据块写信息的时候，不允许其他用户使用，无论是读还是写。
程序设计思路：
（1）为基于共享主存解决读者写者问题，需要由写进程首先创建一个共享主存，并将该共享主存区分别映射到读者进程和写者进程的虚拟空间
（2）随后，写进程开始向共享主存写数据，读进程从共享主存区获取数据
程序流程图：
见附录A
四、涉及的背景知识及所用函数简介
1、shmat函数
函数原型 ：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)
头文件 ：sys/types.h sys/shm.h
作用 ：将参数shmmid所指的共享内存和目前进程连接（attach）
参数 ：shmaddr不为0，参数shmflg也没有指定SHM_RND旗标，则参数 shmaddr为连接地址；
shmaddr不为0，参数shmflg设置了SHM_RND旗标，则参数shmaddr 会自动调整为SHMLAB的整数倍；
shmaddr为0，核心自动选择一个地址。
返回值 ：成功,返回共享内存识别代码；出错,-1,错误原因存于error中
2、pthread_create函数
头文件 ：pthread.h
函数原型 ：int pthread_create(pthread_t *thread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_rtn)(void*),void *arg);
作用 ：创建一个线程
参数 ：thread 待创建线程的id指针
pthread_attr_t 创建线程时的线程属性
*start_rtn(void * ) 返回值是void*类型的指针函数
arg 函数start_rtn的参数
返回值 ：成功返回0；失败返回错误编号
3、pthread_join函数
函数原型 ：int pthread_join( pthread_t thread, void ** rval_ptr)
头文件 ：pthread.h
作用 ：1)调用者将挂起并等待指定线程终止
2)当新线程调用pthread_exit()退出或者return时，进程中的其 他线可通过pthread_join()获得进程的退出状态
参数 ：thread 线程的ID号
rval_ptr 线程的返回状态
返回值 ：成功返回0；失败返回错误编码
4、shmctl 函数
函数原型 ：int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)
头文件 ：sys/types.h sys/shm.h
作用 ：完成对共享内存的控制
参数 ：shmid 共享内存标识符；
IPC_STAT：得到共享内存的状态，把共享内存的shmid_ds结构 复制到buf中；
IPC_SET：改变共享内存的状态，把buf所指的shmid_ds结构中的 uid、gid、mode复制到共享内存的shmid_ds结构内；
IPC_RMID：删除这片共享内存；
buf 共享内存管理结构体,具体说明参见共享内存内核结构定义部 分。
返回值 ：成功返回0，失败返回-1，错误原因存于error中。
5、pthread_mutex_init 函数
函数原型 ：pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
头文件 ：pthread.h
作用 ：该函数用于C函数的多线程编程中，互斥锁的初始化
返回值 ：函数成功完成之后会返回零，其他任何返回值都表示出现了错误。函数成功执行后，互斥锁被初始化为未锁住态。
6、pthread_mutex_lock函数
函数原型 ：int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
头文件 ：pthread.h
作用 ：当pthread_mutex_lock()返回时，该互斥锁已被锁定。线程调用 该函数让互斥锁上锁，如果该互斥锁已被另一个线程锁定和拥有，则 调用该线程将阻塞，直到该互斥锁变为可用为止。
返回值 ：在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如 果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
7、pthread_mutex_unlock函数
函数原型 ：int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
头文件 ：pthread.h
作用 ：释放互斥锁，与pthread_mutex_lock成对存在。
参数 ：需要解锁的锁变量对象
8、pthread_mutex_destroy函数
函数原型 ：int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
头文件 ：pthread.h
作用 ：销毁互斥锁
参数 ：mutex 指向要销毁的互斥锁的指针
返回值 ：互斥锁销毁函数在执行成功后返回 0，否则返回错误码。
五、程序所用数据结构简介
pthread_mutex_t mutex, Rmutex;
互斥信号量，对缓冲区的互斥使用，读者和写者之间互斥。int counter;
记录读者的数量来与写者互斥。int num_reader, num_writer;
分别记录读者写者的数量。pthread_t threads_r[100], threads_w[100];
读者写者线程数组线程。
int shmid;
共享内存块号。
char *shmaddr;
共享内存块地址。char *shmaddread;
读者共享内存块地址。struct shmid_ds buf;
共享内存的数据结构定义。void Read_operation();
读者读数据。void Writer_the_data();
写者写数。void *reader_thread(void *arg);
读者线程执行函数。void *writer_thread(void *arg);
写者线程执行函数void Quit();
删除共享内存和数据结构，退出程序。
六、程序源代码
见附录B
七、调试方案及调试过程记录与分析
测试结果、调试过程：
第一次测试结果：使用一块缓冲区，用while(1)循环来创建线程，只能执行一次写 操作，读操作可以多次执行，读操作不符合预期结果，还要注意对信号量的初始化操作。
第一次调试：向老师请教后，得知原因应该是系统已经自己定义好了共享内存的读写规则，循环时，只能写入一次，之后写者被阻塞。所以改为由用户选择输入创建读者线程还是写着线程。
第二次测试结果：修改之后可以正常执行，结果正确。
八、程序运行结果分析
一块缓冲区可以被多个读者同时读，读到的是相同的内容；一块缓冲区只能被一个写者写。程序刚开始时，没有内容，必须要写者先写入内容，读者才可以读。通过编程实现，对于读者写者之间的互斥关系理解更深刻。
程序源代码：
/*
**************************************************************************************
*Project/File :main.c
*By
*Mail :
*Status :finished
*version :1.0
*Created Time :2014年10月14日星期二20时24分30秒
**************************************************************************************
*Note:
*有一个数据块被多个用户共享，其中一部分用户是读者，另一部分是写者。
**************************************************************************************
*/
#include"reader_writer.h"
int main(void)
{
int choose;
int i;
counter = 0;
num_reader = 1;
num_writer = 1;
while((shmid = shmget(KEY, SIZE, IPC_CREAT | 0600))== -1);//创建共享内存；
printf("Welcome to the ****** Reader And Writer ******\n");
while(1)
{
printf("\n**********1.Create a reader, and read the memory;\n");
printf("**********2.Create a writer, and write to the memory;\n");
printf("**********3.Exit the Reader And Writer!\n");
printf("Please input your choose:\n");
scanf("%d", &choose);
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_mutex_init(&Rmutex, NULL); //初始化信号量；
switch(choose)
{
case 1:
pthread_create(&threads_r[num_reader++],NULL,reader_thread, NULL);
break;
case 2:
pthread_create(&threads_w[num_writer++],NULL,writer_thread,NULL);
break;
case 3:
Quit();
break;
default:
printf("Not find your choose, please input again!\n");
}
}
return 0;
}
/*
**************************************************************************************
*Project/File :reader.c
*By :
*Mail :
*Status :finished
*version :1.0
*Created Time :2014年10月14日星期二20时24分30秒
**************************************************************************************
*Note:
*读者对数据块是只读的，而且允许多个读者同时读；
*当读者使用数据块时，不允许任何一个写者使用。
**************************************************************************************
*/
#include"reader_writer.h"
void *reader_thread(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&Rmutex);//P(Rmutex);
if(counter == 0) //If counter = 0 then P(mutex);
pthread_mutex_lock(&mutex);
counter = counter + 1;
pthread_mutex_unlock(&Rmutex); //V(Rmutex);
Read_operation();
pthread_mutex_lock(&Rmutex); //P(Rmutex);
if(counter == 1) //If counter = 1 then V(mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
counter = counter + 1;
pthread_mutex_unlock(&Rmutex); //V(Rmutex);
}
/*
**************************************************************************************
*Project/File :writer.c
*By :
*Mail :
*Status :finished
*version :1.0
*Created Time :2014年10月14日星期二20时24分30秒
**************************************************************************************
*Note:
*写者对数据块是只写的，当一个写者正在向数据块写信息的时候，不允许其他用户使用，无论读者写者。
**************************************************************************************
*/
#include"reader_writer.h"
void *writer_thread(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex); //P(mutex);
Writer_the_data();
pthread_mutex_unlock(&mutex); //V(mutex);
}
/*
**************************************************************************************
*Project/File :reader_writer.c
*By :
*Mail :
*Status :finished
*version :1.0
*Created Time :2014年10月14日星期二20时24分30秒
**************************************************************************************
*Note:
*这里实现了所有.c文件所用到的函数；
**************************************************************************************
*/
#include"reader_writer.h"
void Read_operation()
{
shmaddread = shmat(shmid, NULL, 0);
printf("This is Reader %d, reading the share memory:%s\n", num_reader - 1, shmaddread);
shmdt(shmaddread);
}
void Writer_the_data()
{
char string[100];
shmaddr = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
strcpy(string, "Message was writing by Writer");
string[strlen(string) + 1] = '\0';
string[strlen(string)] = num_writer - 1 + '0';
strcpy(shmaddr, string);
printf("Writer %d has writen to the memory!\n", num_writer - 1);
shmdt(shmaddr);
}
void Quit()
{
int i;
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);;//销毁共享内存；
pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁互斥信号量；
pthread_mutex_destroy(&Rmutex);
for(i=0;i<num_reader;i++) //销毁线程；
pthread_join(threads_r[i],NULL);
for(i=0;i<num_writer;i++)
pthread_join(threads_w[i],NULL);
exit(0);
}
/*
**************************************************************************************
*Project/File :reader_writer.h
*By :
*Mail :
*Status :finished
*version :1.0
*Created Time :2014年10月14日星期二20时24分30秒
**************************************************************************************
*Note:
*将所有.c文件所用到的头文件包含进去；
*包含所有的宏定义；
*全局变量的定义；
*函数的声明；
**************************************************************************************
*/
#ifndef reader_writer_h
#define reader_writer_h
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "pthread.h"
#include "signal.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/shm.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/types.h"
#define SIZE 1024
#define KEY 1234
pthread_mutex_t mutex, Rmutex;
int counter;
int num_reader, num_writer;
pthread_t threads_r[100], threads_w[100];
int pid;
int shmid;
char *shmaddr;
char *shmaddread;
struct shmid_ds buf;
void Read_operation();
void Writer_the_data();
void *reader_thread(void *arg);
void *writer_thread(void *arg);
void Quit();
#endif
Makefile
vpath %.h ./
main:main.o reader.o writer.o reader_writer.o reader_writer.h
gcc -o main -pthread main.o reader.o writer.o reader_writer.o
main.o:main.c reader.c writer.c reader_writer.c reader_writer.h
gcc -c main.c reader.c writer.c reader_writer.c
reader.o:reader.c reader_writer.c reader_writer.h
gcc -c reader.c writer.c reader_writer.c
writer.o:writer.c reader_writer.c reader_writer.h
gcc -c writer.c reader_writer.c
reader_writer.o:reader_writer.c reader_writer.h
gcc -c reader_writer.c