读者写者问题操作系统课程设计报告

在Windows 2000/XP环境下，使用多线程和信号量机制实现经典的读者写者问题，每个线程代表一个读者或一个写者。每个线程按相应测试数据文件的要求，进行读写操作。请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： (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，即不能同时有一个读者在读，同时却有一个写者在写 (3)读-读允许，即可以有二个以上的读者同时读 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后才能开始读操作。 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、开始读写操作和结束读写操作时分别显示一行提示信息，以确信所有处理都遵守相应的读写操作限制。 3 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 表示读者是，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，延时相应时间（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： 1 R 3 5 2 W 4 5 3 R 5 2 4 R 6 5 5 W 5.1 3 操作系统课程设计中的“读者写者问题”是一个经典的并发控制问题，其目的是确保多个读者和少数写者能够安全地访问共享资源。在这个问题中，我们关注的是如何通过多线程和信号量机制在Windows 2000/XP环境下实现这个模型。 我们需要理解读者写者问题的基本规则： 1. **写-写互斥**：不允许两个或更多的写者同时进行写操作，以防止数据不一致。 2. **读-写互斥**：不允许一个读者和一个写者同时访问资源，因为写操作可能会影响正在读取的读者的数据。 3. **读-读允许**：允许多个读者同时进行读操作，因为读操作不会改变数据。 在设计解决方案时，我们可以使用以下技术： - **线程**：每个线程代表一个读者或写者，根据测试数据文件中的指示执行读写操作。 - **信号量机制**：信号量是操作系统提供的同步原语，可以用来控制对共享资源的访问。在这个问题中，我们可以使用两种类型的信号量：互斥量（Mutex）和计数信号量。 - **互斥量**：用于实现写-写和读-写互斥。例如，当一个写者开始写操作时，它会获取一个互斥量，阻止其他写者和读者进入临界区。 - **计数信号量**：用于管理读者的数量，确保读者优先和写者优先的策略得以实施。 在读者优先的策略中，我们使用一个整型变量`readcount`来记录当前的读者数量。当`readcount`为零，表明没有读者在读，可以释放一个等待的写者。读者在开始读之前会增加`readcount`，并在结束时减少。为了保护`readcount`，我们需要一个互斥量，如Mutex。此外，当`readcount`等于1时，读者也需要获取写者使用的临界区对象以阻止新的读者进入。 在写者优先的策略中，引入了`writecount`来记录写者的数量。当`writecount`为零时，新的读者可以进行读操作。这里同样需要互斥量来保护`writecount`的修改。写者优先的策略中，还会使用一个临界区对象来阻止读者在有写者等待或进行写操作时进行读操作。 在实现过程中，操作系统提供了如下的API函数： - **CreateThread()**：创建一个新的线程。 - **ExitThread()**：终止当前线程。 - **Sleep()**：使当前线程暂停指定时间。 - **CreateMutex()** 和 **OpenMutex()**：创建和打开互斥对象。 - **ReleaseMutex()**：释放互斥对象的占有权。 - **WaitForSingleObject()**：等待指定对象变为可用状态。 - **InitializeCriticalSection()**，**EnterCriticalSection()** 和 **LeaveCriticalSection()**：初始化、进入和离开临界区对象。 设计思路的关键在于正确地使用这些API函数和信号量机制，确保线程之间的同步和互斥，同时满足读者优先或写者优先的附加限制。通过适当的调度和同步控制，可以确保每个线程在创建、申请读写、开始读写和结束读写时都符合规定的操作限制。 测试数据文件提供了线程的角色、开始时间和持续时间，这使得我们可以模拟不同场景，验证我们的实现是否正确遵循了读者写者问题的规则。通过打印提示信息，我们可以直观地跟踪每个线程的状态，从而确认它们的执行顺序和操作是否正确。 解决读者写者问题需要深入理解并发控制和线程同步的概念，以及熟练应用操作系统提供的同步原语。这个课程设计项目旨在帮助学生将理论知识与实际编程相结合，提高他们解决实际问题的能力。