实验二--读者写者问题实验报告.doc

实验二 读者写者问题实验报告
一、 实验目的
Windows2000/XP提供了互斥量(mutex)、信号量(semapore)、事件(event)等三种同步对象和相应的系统调用，用于线程的互斥与同步。通过对读者写者问题的调试，了解Windows2000/XP中的同步机制。

二、实验内容及实验步骤
利用Windows2000/XP信号量机制，实现读者写者问题。
在Windows 2000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。
读者-写者问题的读写操作限制（包括读者优先和写者优先）：
写-写互斥，即不能有两个写者同时进行写操作。
读-写互斥，即不能同时有一个线程在读，而另一个线程在写。
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。
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、开始读写操作和结果读写操作时分别显示一行提示信息，以确定所有处理都遵守相应的读写操作限制。
三、实验结果及分析

图2.1 选择界面

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
测试结果如下：

图2.2 读者优先运行结果

图2.3 写者优先运行结果

分析如下：
将所有的读者和所有的写者分别放进两个等待队列中，当读允许时就让读者队列释放一个或多个读者，当写允许时，释放第一个写者操作。

读者优先：
如果没有写者正在操作，则读者不需要等待，用一个整型变量readcount记录当前的读者数目，用于确定是否释放写者线程，（当readcout=0 时，说明所有的读者都已经读完，释放一个写者线程），每个 读者开始读之前都要修改readcount,为了互斥的实现对readcount 的修改，需要一个互斥对象Mutex来实现互斥。
另外，为了实现写-写互斥，需要一个临界区对象 write,当写者发出写的请求时，必须先得到临界区对象的所有权。通过这种方法，可以实现读写互斥，当readcount=1 时，（即第一个读者的到来时，），读者线程也必须申请临界区对象的所有权.
当读者拥有临界区的所有权，写者都阻塞在临界区对象write上。当写者拥有临界区对象所有权时，第一个判断完readcount==1 后，其余的读者由于等待对readcount的判断，阻塞在Mutex上！

写者优先：
写者优先和读者优先有相同之处，不同的地方在：一旦有一个写者到来时，应该尽快让写者进行写，如果有一个写者在等待，则新到的读者操作不能读操作，为此添加一个整型变量writecount,记录写者的数目，当writecount=0时才可以释放读者进行读操作！
为了实现对全局变量writecount的互斥访问，设置了一个互斥对象Mutex3。
为了实现写者优先，设置一个临界区对象read,当有写者在写或等待时，读者必须阻塞在临界区对象read上。
读者除了要一个全局变量readcount实现操作上的互斥外，还需要一个互斥对象对阻塞在read这一个过程实现互斥，这两个互斥对象分别为mutex1和mutex2。

附：
源代码如下：
#include "windows.h"
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fstream.h>
#include <io.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

#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 sents the reading require.\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 begins to read file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);

// 退出线程
printf("Reader thread %d finished reading file.\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 sents the writing require.\n",m_serial);
// 等待资源
EnterCriticalSection(&RP_Write);

//写文件
printf("Writer thread %d begins to Write to the file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);

// 退出线程
printf("Writer thread %d finished Writing to the file.\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("All reader and writer have finished operating.\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 sents the reading require.\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 begins to read file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
// 退出线程
printf("Reader thread %d finished reading file.\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 sents the writing require.\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 begins to Write to the file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);

// 退出线程
printf("Writer thread %d finishing Writing to the file.\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("All reader and writer have finished operating.\n");
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//主函数
int main(int argc,char* argv[])
{
char ch;

while (true)
{
//打印提示信息
printf("************************************************\n");
printf(" 1:Reader Priority\n");
printf(" 2:Writer Priority\n");
printf(" 3:Exit Priority\n");
printf("************************************************\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
WriterPriority("thread.dat");
//结束
printf("\nPress Any Key To Continue: ");
_getch( );
system("cls");
}
return 0;
}