实验3 读者/写者问题与进程同步3.1 实验目的理解临界区和进程互斥的概念，掌握用信号量和PV操作实现进程互斥的方法。
3.2 实验要求在linux环境下编写一个控制台应用程序，该程序运行时能创建N个线程，其中既有读者线程又有写者线程，它们按照事先设计好的测试数据进行读写操作。
请用信号量和PV操作实现读者/写者问题。
读者/写者问题的描述如下：有一个被许多进程共享的数据区，这个数据区可以是一个文件，或者主存的一块空间，甚至可以是一组处理器寄存器。
有一些只读取这个数据区的进程（reader）和一些只往数据区中写数据的进程（writer）。
以下假设共享数据区是文件。
这些读者和写者对数据区的操作必须满足以下条件：读—读允许；读—写互斥；写—写互斥。
这些条件具体来说就是：（1）任意多的读进程可以同时读这个文件；（2）一次只允许一个写进程往文件中写；（3）如果一个写进程正在往文件中写，禁止任何读进程或写进程访问文件；（4）写进程执行写操作前，应让已有的写者或读者全部退出。
这说明当有读者在读文件时不允许写者写文件。
对于读者-写者问题，有三种解决方法：1、读者优先除了上述四个规则外，还增加读者优先的规定，当有读者在读文件时，对随后到达的读者和写者，要首先满足读者，阻塞写者。
这说明只要有一个读者活跃，那么随后而来的读者都将被允许访问文件，从而导致写者长时间等待，甚至有可能出现写者被饿死的情况。
2、写者优先除了上述四个规则外，还增加写者优先的规定，即当有读者和写者同时等待时，首先满足写者。
当一个写者声明想写文件时，不允许新的读者再访问文件。
3、无优先除了上述四个规则外，不再规定读写的优先权，谁先等待谁就先使用文件。
3.3算法分析3.3.1读者优先对于相继到达的一批读者，并不是每个读者都需要执行P(r_w_w)和V(r_w_w)。
在这批读者中，只有最先到达的读者才需要执行P(r_w_w)，与写者竞争对文件的访问权，若执行P(r_w_w)成功则获得了文件的访问权，其他的读者可直接访问文件；同理，只有最后退出临界区的读者需要执行V(r_w_w)来归还文件访问权。
为了记录正在读文件的一批读者的数量，需要设置一个整型变量readercount，每一个读者到达时都要将readercount加1，退出时都要将readercount减1。
由于只要有一个读者在读文件，便不允许写者写文件，所以，仅当readercount=0时，即尚无读者在读文件时，读者才需要执行P(r_w_w)操作。
若P(r_w_w)操作成功，读者便可去读文件，相应地，readercount+1。
同理，仅当在执行了readercount减1操作后其值为0时，才需要执行V(r_w_w)操作，以便让写者写文件。
又因为readercount是一个可被多个读者访问的临界资源，所以应该为它设置一个互斥信号量readercount_mutex.。
每个读者在访问readercount 之前执行P(readercount_mutex)，之后执行V(readercount_mutex)。
通过上述分析得到图3-2所示的算法描述，其中的数字表示语句对应的行号。
下面对该算法的调度效果进行分析。
假设最初没有进程在访问文件。
过了一会，就会有很多读者和写者到达。
对它们可能有两种调度情形。
情形1 最先调度写者写者执行P(r_w_w)操作成功，将r_w_w 的值变为0，获得文件的访问权；其它的写者执行P(r_w_w)将r_w_w 的值变为负数，从而阻塞在信号量r_w_w 上；第一个读者执行P(readercount_mutex)成功，将信号量readercount_mutex 的值变为0，然后判断readercount 是0，所以执行P(r_w_w)，将r_w_w 的值减1后仍然为负数从而阻塞在信号量r_w_w 上，其它的读者执行P(readercount_mutex)将信号量readercount_mutex 的值变为负数，从而阻塞在信号量readercount_mutex 上。
例如，对于请求序列w1,w2,r1,w3,r2,r3，我们用图表形象地刻画进程的活动，图表中包括读者计数器的值、信号量readercount_mutex 和r_w_w 的值和队列以及访问文件的进程。
①初始状态。
没有进程使用文件，计数器readercount 的值是0，信号量readercount_mutex 和r_w_w 的值都是1，队列都是空，参见图3-3；②w1请求写文件，所以执行语句17，将信号量r_w_w 的值减1后变成0，w1获得文件使用权，执行语句18，开始写文件，参见图3-4；③在w1尚未写完时，w2提出写请求，所以执行语句17，将信号量r_w_w 的值减1后变成负1，w2被阻塞在信号量r_w_w 上，参见图3-5；④同时r1提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex 的值减1后变成0，接着执行语句6，判断readercount 的值是0，所以执行P(r_w_w)，将信号量r_w_w 的值减1后变成-2，r1被阻塞在信号量r_w_w 上，参见图3-6；⑤同时w3提出写请求，所以执行语句17，将信号量r_w_w 的值减1后变成-3，w3被阻塞在信号量r_w_w 上，参见图3-7；⑥同时r2提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex 的值减1后变成-1，r2被阻塞在信号量readercount_mutex 上，参见图3-8；⑦同时r3提出读请求，所以执行语句5，将信号量readercount_mutex 的值减1后变成-2，r3被阻塞在信号量readercount_mutex 上，参见图3-9；⑧w1写完文件，执行语句19，将信号量r_w_w 的值加1后变成-2，并唤醒w2，w2接着执行语句18，开始写文件，参见图3-10；⑨w2写完文件，执行语句19，将信号量r_w_w 的值加1后变成-1，并唤醒r1，r1接着执行语句7，将readercount 的值加1后变成1，执行语句8，将信号量readercount_mutex 的值加1后变成-1，并唤醒r2，r1执行语句9，开始读文件；被唤醒的r2执行语句6，判断readercount 的值不是0，所以执行语句7，将readercount 的值加1后变成2，执行语句8，将信号量readercount_mutex 的值加1后变成0，并唤醒r3，r2执行语句9，开始读文件；被唤醒的r3执行语句6，判断readercount 的值不是0，所以执行语句7，将readercount 的值加1后变成3，执行语句8，将信号量readercount_mutex 的值加1后变成1，r3执行语句9，开始读文件。
这样三个读者同时读文件，参见图3-11；⑩当r1、r2和r3读完文件时，都执行语句10~14，并由最后一个执行语句10~14的读者执行V(r_w_w)，将信号量r_w_w 的值加1后变成0，并唤醒w3，w3接着执行语句18，开始写文件，参见图3-12；当w3写完文件时，执行语句19，将信号量r_w_w 的值加1后变成1，回到初始状态。
可见，对于请求序列w1,w2,r1,w3,r2,r3，实际访问文件的顺序是w1,w2,r1,r2,r3,w3。
虽然w3比r2、r3先提出请求，但是由于在此之前已经有r1在读文件，所以优先响应读者r2、r3，阻塞写者w3。
如果在w3之后不断有新的读者到达，则w3将一直被阻塞，直至被饿死。
情形2 最先调度读者第一个读者执行P(readercount_mutex)成功，将信号量readercount_mutex 的值变为0，接着该读者判断readercount 是0，所以执行P(r_w_w)操作成功，获得文件的访问权，将r_w_w 的值变为0，然后将readercount 变成1，执行V(readercount_mutex)，之后开始读文件；随后的写者执行P(r_w_w)将r_w_w 的值变为负数，从而阻塞在信号量r_w_w 上；其它的读者执行P(readercount_mutex)成功，判断readercount 不是0，所以直接将readercount 的值再加1，执行V(readercount_mutex)，之后开始读文件。
可见多个读者可以同时读文件，并在读文件时阻塞写者。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3.3.2、写者优先通过增加信号量并修改上述程序可以得到写者优先算法。
为了实现写者优先算法，需要将写者和读者分开排队，并且第一个读者和其它读者也要分开排队。
这样就需要三个队列，一个是写者排队的地方，另一个是第一个读者排队的地方，第三个是其它读者排队的地方。
相应地需要设置三个信号量，r_w_w、first_reader_wait和reader_wait。
当一个写者声明想写文件时，可以让新的读者中的第一个到first_reader_wait上排队等待；当有读者阻塞在first_reader_wait上时，让其它读者阻塞在reader_wait上；当有一个写者在写文件时，其它写者到r_w_w上排队。
只要有活跃的写者或者写者队列不为空，则阻塞新到达的读者。
为了记录已经发出声明的写者数量，需要设置一个整数writercount，以表示声明要写文件的写者数目。
由于只要有一个写者到达，就不允许读者去读，因此仅当writercount=0，表示无写者声明写时，写者才需要执行P(first_reader_wait)操作，若操作成功，写者便可以执行P(r_w_w)去竞争写文件权利。
其它写者不需要再向读者声明，可以直接执行P(r_w_w)去竞争写文件权利。
同理仅当写者在执行writercount减1操作后其值为0时，才需要执行V(first_reader_wait)操作，以便唤醒第一个被阻塞的读者去读文件。
又因为writercount是一个可被多个写者访问的临界资源，所以，应该为它设置一个互斥信号量writer_mutex。
通过上述分析得到图3-13的算法描述。
下面对该算法的调度效果进行分析。
假设最初没有进程在访问文件。
过了一会，就会有很多读者和写者到达。
对它们可能有两种调度情形。
情形1 最先调度写者写者执行P(writercount_mutex)，将writercount_mutex的值变为0，并判断writercount 是0，从而执行P(first_reader_wait)，将first_reader_wait的值变为0，成功地向读者声明了写访问意图，接着将writercount变为1，执行V(writercount_mutex)，将writercount_mutex 的值变为1。