2.16 读者写者问题
抽象解释
- 多个进程访问一个共享的数据区
- 读者（读进程）只能读数据，写者（写进程）只能写数据
- 适用于数据库、文件、内存、寄存器等数据区的访问模型
- 如12306购票系统，由于用户量庞大和数据量巨大，不可避免地会出现多个进程同时查询（读）或修改（写）同一条数据的情况
2.16.1 读者写者问题的三个约束条件
- 读者之间不互斥（你和室友可以同时查看元旦那天早上7点的高铁信息）
- 写者之间必须互斥（你和室友不能同时申请购买元旦那天早上七点G1234的6D号位置）
- 读者写者之间也互斥（假如你正在买G1234的6D座位，你的室友无法读到该位置的售票信息）
2.16.2 读者写者问题VS生产者消费者问题
不能
像生/消问题那样严格互斥读者写者虽然可以保证数据的正确，却无法实现同时读的特点
- 生产者消费者问题：数据消费后就没有了；读者写者问题：数据可多次读
- 生产者消费者问题：消费者彼此互斥；读者写者问题：读者可以同时读
2.16.3 解决读者写者问题的三种方案
策略一 读者优先
- 有读者在读的话，随后的读者可以进入临界区一起读
- 待临界区全部读者退出后再轮到下一个写者
- 有越过写者的现象，造成写者饥饿
变量设置
- wsem：互斥信号量
- readcount：统计同时读的readers
- x：对readcount的修改加锁
伪代码
int readcount=0；
semaphore x = 1, wsem=1;
void reader() {
while (1) {
P(x);
readcount++;
Ⅰ if (readcount==1) P(wsem); //第一个读者会执行此if语句，随后的会跳过P(wsem)直接进入临界区
Ⅱ V(x);
READ;
P(x);
readcount--;
Ⅲ if (readcount==0) V(wsem);//最后退出的读者执行此语句，释放临界区权限
Ⅳ V(x);
}
}
void writer() {
while (1) {
P(wsem);
WRITE;
V(wsem);
}
}
读者优先的相关思考
- Ⅰ、Ⅱ语句能否互换？
答：不能，readcount的判断一定要在锁内，否则会出现读写不互斥：假设此时写者在临界区，第一个读者到来后readcount++，阻塞在P（wsem），第二个读者到来后直接可以修改count++，导致跨过P（wsem）直接进入临界区，读写不互斥。这时失去的条件是：先有一个读者进入临界区时等其进入后后面的读者才能修改count。 - Ⅲ、Ⅳ语句能否互换？
答：不能，交换后考虑最后一个进程退出时又到来一个读者进程的情况：交换后readcount=0，尚未判断if时，读者仍会进入临界区，判断后释放临界区权限，写者也进入临界区，这时读写不互斥。这时失去的条件是:最后一个读者退出临界区时等其退出后才能修改count - 考虑如下进程序列(设序列中从右到左为进程先后到达顺序)，下列哪一种情况下可能存在写者饥饿
1.R R R
2.W W W
3.R W
4.R R W
5.R R W R
6.W W R
7.W R R W
答：5.RRWR时有一个R先到临界区，后面的读者进程在等待时会越过P（wsem）直接进入临界区，也就是越过了W，造成写者饥饿
策略二 公平优先
- 有读者在读的话，下一个写者之前的读者可以进入临界区一起读
- 写过程中，其他到来的进程按顺序处理
- 没有越过写者的现象，不会造成写者饥饿
变量设置
- wsem：互斥信号量
- readcount：统计同时读的readers
- x：对readcount的修改加锁
- wrsem：互斥信号量，reader和writer在这里排队，用处是在读者优先的基础上，不让读者越过写者
伪代码
int readcount=0, semaphore x=l, wrsem=1, wsem=l;
void reader() {
while (true) {
P(wrsem);
P(x);
readercount++;
if (readercount == 1)
P(wsem);
V(x);
V(wrsem);
READ;
P(x);
readercount--;
if (readercount == 0)
V(wsem);
V(x);
}
}
void writer() {
while (true) {
P(wrsem);
P(wsem);
WRITE;
V(wsem);
V(wrsem);
}
}
与读者优先相比
在读者优先中，wsem只对第一个读者起阻塞作用，后续读者不受其影响。为了保证按照到达顺序处理，故公平优先方式设置wrsem,读者／写者按到达顺序在wrsem上排队。
策略三 写者优先
- 有写者声明要写时，不允许读者再进入临界区
- 降低了并发度
- 有越过读者的现象，会造成读者饥饿
变量设置
- rsem：互斥信号量，当至少有一个写者申请写数据时，互斥新的读者进入读数据
- 第一个写者受rsem影响，一旦有第一个写者，后续写者不受rsem其影响。但是读者需要在rsem上排队
- writecount：用于控制rsem对写者的控制
- y：对writecount的修改加锁
伪代码
int readcount = 0, writecount = 0;
semaphore x=l, y= 1, wsem=1, rsem=l;
void reader( ) {
while (1) {
P(rsem);
P(x);
readcount++;
if (readcount ==1) P(wsem);
V(x);
V(rsem)；
READ;
P(x);
readcount--;
if (readcount ==0) V(wsem);
V(x);
}
}
void writer( ) {
while (1) {
P(y);
writecount++;
if (writecount ==1) P(rsem);
V(y);
P(wsem);
WRITE;
V(wsem);
P(y);
writecount--;
if (writecount==0) V(rsem);
V(y);
}
}
与公平优先相比
在公平优先中，读者和写者都会受到wrsem的限制，而写者优先中，由于增加了if (writecount ==1) P(rsem)的语句，当写者到来时会比读者优先进入临界区，但WRRRR的情况写者不会优先
策略四 写者优先改进
- 为了解决WRRRR中W不能优先的问题
变量设置
- 沿用写者优先的变量
- 增加z信号量，仅对写者有作用，让读者队列在z上排队，只有一个读者在rsem上排队
伪代码
int readcount=0,writecount=0;
semaphore x=l, y= 1,z=1,wsem=1,rsem=l;
void reader( ) {
while (1) {
P(z);
P(rsem);
P(x);
readcount++;
if (readcount ==1) P(wsem);
V(x);
V(rsem)；
V(z);
READ;
P(x);
readcount--;
if (readcount ==0) V(wsem);
V(x);
}
}
void writer( ) {
while (1) {
P(y);
writecount++;
if (writecount ==1) P(rsem);
V(y);
P(wsem);
WRITE;
V(wsem);
P(y);
writecount--;
if (writecount==0) V(rsem);
V(y);
}
}
写者优先改进方法的思考
- z信号量起到了什么作用？
- 在rsem上不允许建造读进程的长队列，否则写进程将不能跳过这个队列.
- 允许一个读进程在rsem上排队,其他读进程在信号量z上排队
- P(z)和P(rsem)能否互换位置？
不能， 否则P(z)失去限制作用
2.16.4 读者写者问题示例
示例一
情境描述
- 东西方向的独木桥，仅容一人过，不允许停留
- 东西方向都有人在等着过桥
请用P、V操作来实现东西两端行人过桥问题
分析
- 简单的写者互斥问题
- 多个写者共享数据
- 行人都是写者，桥是数据
- 信号量
- s：互斥信号量
伪代码
semaphore s = 1; //互斥信号量
void east_west( )
{
while (true) {
P(s); //互斥其他人过桥
walk across the bridge from east to west; //行人从东向西过桥
V(s); //允许其他人过桥
}
}
void west_east( )
{
while (true) {
P(s); //互斥其他人过桥
walk across the bridge from west to east; //行人从西向东过桥
V(s); //允许其他人过桥
}
}
示例二
情境描述
- 东西方向的独木桥，仅容一人过，不允许停留
- 东西方向都有人在等着过桥
- 同一方向的行人可以连续过桥，另一方的行人必须等待
请用P、V操作来实现东西两端行人过桥问题
分析
- 读者优先问题
- 行人首先上桥的一方为读者，另一方为写者，桥是数据
- 信号量
- x：互斥信号量,互斥读者写者
- countR：统计读者数目（同时在桥上的行人数目）
- mutexR：对变量countR加锁
伪代码
int countA=0, countB=0；
semaphore x=1, mutexA=1, mutexB=1;
void east_west() {
while (1) {
P(mutexA);
countA++;
if (countA==1) P(x);
V(mutexA);
walk across the bridge from east to west;
P(mutexA);
countA--;
if (countA==0) V(x);
V(mutexA);
}
}
void west_east() {
while (1) {
P(mutexB);
countB++;
if (countB==1) P(x);
V(mutexB);
walk across the bridge from west to east;
P(mutexB);
countB--;
if (countB==0) V(x);
V(mutexB);
}
}
示例三
情境描述
- 东西方向的独木桥，不允许停留
- 东西方向都有人在等着过桥
- 同一方向的行人可以连续过桥，另一方的行人必须等待
- 桥最大可承重四人
请用P、V操作来实现东西两端行人过桥问题
分析
- 读者优先问题
- 行人首先上桥的一方为读者，另一方为写者，桥是数据
- 与示例二不同在于不用一个一个过桥，只要桥没到承重限度就可以进入，这里承重限度就是临界区大小
- 信号量
- x：互斥信号量,互斥读者写者
- countR：统计读者数目（同时在桥上的行人数目）
- mutexR：对变量countR加锁
- count: 位于独木桥上的行人数目
伪代码
int countA=0, countB=0；
semaphore x=1, muteA=1, mutexB=1,count=4;
void east_west() {
while (1) {
P(mutexA);
countA++;
if (countA==1) P(x);
V(mutexA);
P(count);
walk across the bridge from east to west;
V(count);
P(mutexA);
countA--;
if (countA==0) V(x);
V(mutexA);
}
}
void west_east() {
while (1) {
P(mutexB);
countB++;
if (countB==1) P(x);
V(mutexB);
P(count);
walk across the bridge from west to east;
V(count);
P(mutexB);
countB--;
if (countB==0) V(x);
V(mutexB);
}
}
