信号量机制——读者-写者问题

问题描述

一个共享数据区，有若干个进程负责对其进行读入工作，若干个进程负责对其进行写入工作。

允许多个进程同时读数据
互斥读数据
若有进程写数据，不允许读者读数据

对照生活中的购票系统：

一个联网售票系统，数据的查询和更新非常频繁，不可避免会出现多个进程试图查询或修改（读/写）其中某一条数据的情形。多个进程同时读一条记录是可以的，但如果一个进程正在更新数据库中的某条记录，则所有其他进程都不能访问（读或写）该记录，否则可能会将同一个座位销售多次

解决办法

读者优先

基本描述

一旦有读者正在读数据，允许多个读者同时进入读数据，只有当全部读者退出，才允许写者进入写数据。

满足条件：

对于读者
- 没有读者和写者，直接读数据
- 有写者等待，其他读者正在读，越过写者，直接进入读数据
- 有写者写数据，新读者等待
对于写者
- 无读者，新写者直接写
- 有读者，新写者等待
- 有写者，新写者等待

问题存在：写者操作被长期挂起，无法操作——写者饥饿

实现思路

设置一个共享变量和两个信号集

共享变量reader：记录当前正在读数据集的读进程数，初值为0
读互斥信号量rmutex：表示读进程互斥访问共享变量reader，初值为1，互斥信号
写互斥信号量wmutex：表示写进程与其他进程（读写进程）互斥访问数据集，初值为1.互斥信号量

流程图

注：

虽然是实现了多个读者进程同时读取了数据集的操作，是因为通过if判断语句绕过了p操作，直接访问数据。
我们平常所说的互斥访问是用P（S）和V（S）操作将临界资源区包裹起来，才实现互斥访问，临界资源区本身就没有实现互斥访问的性质，是通过进入区和退出区联合实现的，如果能够绕过，就可以不用互斥访问。

伪代码实现

program readers_writers;
const reader:integer(:= 1); // 用于统计读者的个数
var wmutex,rmutex:semophore(:= 1);  // 初始化信号量
procedure reader;
begin repeat;wait(rmetex); // 开始对读者进程进行计数，互斥访问计数器reader = reader + 1; //有一个读者进入计数器，那就+1if reader == 1 then wait(wmetex);//如果是第一个进程，判断是否有写进程在临界区，若有，都进程等待，若无，写进程等待signal(rmutex);//结束对计数器互斥访问<读取数据>；wait(rmutex);//开始对共享变量计数器进行互斥访问reader = reader - 1;//一个进程读完了，读进程数-1if reader == 0 then signal(wmutex);//如果是最有一个进程，那就判断是否有写进程进入了临界区，若有，唤醒一个写进程进入临界区signal(rmutex);//结束对reader计数器的互斥访问until false;
end;

procedure writers
begin repeat;wait(wmutex);//写进程互斥访问读写操作；若有读进程，就陷入阻塞，若是没有读进程，那就执行<写入数据>；signal(wmutex);//写进程完成操作，如果有读进程陷入阻塞，那就唤醒until false;
end;

beginparbegin;writers;readers;parend;
end

分析与总结

对于计数器的访问，一定是一个一个的访问，一个一个的数，互斥访问计数器。
互斥访问计数器，wait（rmutex）还可以阻塞后面读进程，如果当前的读进程因为有写进程陷入了阻塞，后面的读进程进不了计数器，就陷入了阻塞。如果没有写进程，还可以阻塞后来的写进程
同时通过绕过wait（S）操作，就不存在互斥访问了；绕过进入区，随便访问临界资源

写者优先

方法描述

只要有一个写者申请写数据，就不允许新的读者绕过写者，进去读数据。写着只需要等待其前面的写者写完就可以写了。

问题：降低并发度，系统的性能较差

实现思路

在读者优先的基础上，增加排队信号量read，读写进程在每一次操作前都要等待read信号量

流程图

注：写者有一个自己的计数器，一旦有一个写者进来，就会打开读者进入计数器的p操作，使读者不能进计数器，在计数器外陷入阻塞，然后再读写临界区门口陷入阻塞，等待。

伪代码

program readers_writers;
const reader，writer:integer(:= 1); // 用于统计读者的个数
var x,ywmutex,rmutex:semophore(:= 1);  // 初始化信号量
procedure reader;
begin repeat;wait(rmetex); //实现写者优先wait(x);// 开始对读者进程进行计数，互斥访问计数器reader = reader + 1; //有一个读者进入计数器，那就+1if reader == 1 then wait(wmetex);//如果是第一个进程，判断是否有写进程在临界区，若有，都进程等待，若无，写进程等待signal(x);//结束对计数器互斥访问signal(rmutex);<读取数据>；wait(x);//开始对共享变量计数器进行互斥访问reader = reader - 1;//一个进程读完了，读进程数-1if reader == 0 then signal(wmutex);//如果是最有一个进程，那就判断是否有写进程进入了临界区，若有，唤醒一个写进程进入临界区signal(x);//结束对reader计数器的互斥访问until false;
end;

procedure writers
begin repeat;wait(y);writer = writer + 1;if writer == 1 then wait(rmutex);//通过写者进程来控制读者进程signal(y)wait(wmutex);//写进程互斥访问读写操作；若有读进程，就陷入阻塞，若是没有读进程，那就执行<写入数据>；signal(wmutex);//写进程完成操作，如果有读进程陷入阻塞，那就唤醒wait(y);writer = writer - 1;if writer == 0 then signal(rmutex);signal(y)until false;
end;

beginparbegin;writers;readers;parend;
end

分析与总结

互斥访问计数器的时候必须要是一个同一个资源信号量，在进入时没有释放，就不能退出，在退出没有释放时，就不能进入。防止出现同时写入和退出，造成判断条件的混乱
通过将p操作有不同的进程操作，实现进程之间的相互控制，比如上述，通过写者线程控制读者线程，实现了写者优先。

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用信号量和读写锁解决读者写者问题参考文章: (1)用信号量和读写锁解决读者写者问题 (2)https://www.cnblogs.com/xybaby/p/6559212.html 备忘一下.
信号量读者写者问题
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流程图

伪代码实现

分析与总结

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流程图

伪代码

分析与总结

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