【操作系统-进程】PV操作——读者写者问题
读者写者问题万能模板
读者写者问题，其本质就是连续多个同类进程访问同一个临界资源的问题。
第一个进程开始访问临界资源前，需要对资源加上互斥锁，后面的进程再访问时就不用再对资源加互斥锁了，直到最后一个进程访问完后，发现自己是最后一个进程，就解锁互斥锁。这就像一种情况：第一个人进房间时必须顺手开门，后面进来的人和离开的人就不用开门，直到最后一个人离开房间时才需要顺手关门。
代码的通用模板是“三段式”，如下：
int count = 0; // 记录正在访问的进程数量
信号量 busy = 1; // “完成事件”的互斥锁
信号量 mutex = 1; // 变量 count 的互斥锁
Process(){
while(1){
P(mutex);
count++; // 访问资源的进程数量加 1
if (count == 1){ // （1）如果发现自己是第一个访问的进程，需要负责加锁
P(busy);
}
V(mutex);
完成事件; // （2）访问临界资源、完成临界事件
P(mutex);
count--; // 访问完毕，访问资源的进程数量减 1
if (count == 0){ // （3）如果发现自己是最后一个访问的进程，需要负责解锁
V(busy);
}
V(mutex);
}
}
理解了最基本的原理后，下面来正式讨论读者写者问题。
【读者写者问题】有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或两个以上的读进程（只是读数据，不会对数据产生影响，而消费者读数据时，会将数据取走，因此不能两个消费者一起读数据）同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。
因此要求:
- 允许多个读者可以同时对文件执行读操作；
- 只允许一个写者往文件中写信息；
- 任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；
- 写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。
万能模板 1——读进程优先
即使写者发出了请求写的信号，但是只要还有读者在读取内容，就还允许其他读者继续读取内容，直到所有读者结束读取，才真正开始写。
int count = 0;
信号量 busy = 1; // “读文件”和“写文件”的互斥锁
信号量 mutex = 1; // 变量 count 的互斥锁
Reader(){ // 读者进程
while(1){
P(mutex);
count++;
if (count == 1){
P(busy);
}
V(mutex);
读文件;
P(mutex);
count--;
if (count == 0){
V(busy);
}
V(mutex);
}
}
Writer(){ // 写者进程
while(1){
P(busy);
写文件;
V(busy);
}
}
如果读者写者到达的顺序是：读者 1--读者2--读者 3--写者 A--读者 4--写者 B--读者 5，则：
- 读者 1、读者 2、读者 3 到达，busy 加锁，开始读；
- 写者 A 到达，但是读者还在读，未释放 busy 锁，因此不能写；
- 读者 4 到达，可以开始读；
- 写者 B 到达，但是读者还在读，未释放 busy 锁，因此不能写；
- 读者 5 到达，可以开始读；
- 等到读者们都读完，释放 busy 锁，写者才可以开始写。
万能模板 2——读写公平法
读写进程都要排队进行操作文件。即使里面有读进程在操作文件，读进程也要和写进程一起排队。
int count = 0;
信号量 queue = 1; // 实现“读写公平”的互斥锁，可以视为一个队列
信号量 busy = 1; // “读文件”和“写文件”的互斥锁
信号量 mutex = 1; // 变量 count 的互斥锁
Reader(){ // 读者进程
while(1){
P(queue); // 在无写进程请求时不需要进入队列
P(mutex); // 该互斥量实际上是多余的，上面语句已经兼有互斥功能
count++;
if (count == 1){
P(busy);
}
V(mutex); // 该互斥量实际上是多余的，下面语句已经兼有互斥功能
V(queue); // 恢复对共享文件的访问
读文件;
P(mutex);
count--;
if (count == 0){
V(busy);
}
V(mutex);
}
}
Writer(){ // 写者进程
while(1){
P(queue); // 在无其他写进程请求时不需要进入队列
P(busy);
写文件;
V(busy);
V(queue); // 恢复对共享文件的访问
}
}
如果读者写者到达的顺序是：读者 1--读者2--读者 3--写者 A--读者 4--写者 B--读者 5，则：
- 读者 1、读者 2、读者 3 到达，busy 加锁，开始读；
- 写者 A 到达，queue 加锁，但是读者还在读，busy 锁仍未释放，因此不能写；
- 读者 4 到达，但是读者还在读，queue 和 busy 锁仍未释放，不能开始读；
- 写者 B 到达，queue 锁和 busy 锁仍未释放，因此不能写；
- 读者 5 到达，但是读者还在读，queue 和 busy 锁仍未释放，不能开始读；
- 等到读者 1 到 3 都读完，释放 busy 锁，写者 A 才可以开始写；
- 接下来就是按读者 4、写者 B、读者 5 的顺序依次访问文件。
实际上，读写公平法也可以不用任何除了访问文件外的互斥锁：
信号量 busy = 1; // 也可以视为一个队列
Reader(){ // 读者进程
while(1){
P(busy);
读文件;
V(busy);
}
}
Writer(){ // 写者进程
while(1){
P(busy);
写文件;
V(busy);
}
}
万能模板 3——写进程优先
如果有写者申请写文件，那么在申请之前还在读取文件的读进程可以继续读取，但是如果再有读者申请读取文件，则不能够读取，只有在所有的写者写完之后才可以读取。
int ReaderCount = 0; // 读者数量
int WriterCount = 0; // 写者数量
信号量 Read = 1; // “读文件”的互斥锁
信号量 Write = 1; // “写文件”的互斥锁
信号量 ReaderMutex = 1; // 变量 ReaderCount 的互斥锁
信号量 WriterMutex = 1; // 变量 WriterCount 的互斥锁
Reader(){ // 读者进程
while(1){
P(Read); // 每个读进程都需要对 Read 加锁
P(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥，实际上，上条语句已经兼有此功能，可以去掉
ReaderCount++;
if (ReaderCount == 1){ // 如果是第一个读进程
P(Write); // 则对写者上锁
}
V(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥，实际上，下条语句已经兼有此功能，可以去掉
V(Read); // Read 解锁
读文件;
P(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥
ReaderCount--;
if (ReaderCount == 0){ // 如果是最后一个读进程
V(Write); // 则对写者解锁
}
V(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥
}
}
Writer(){ // 写者进程
while(1){
P(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
WriterCount++;
if (WriterCount == 1){ // 如果是第一个写进程
P(Read); // 则对读者上锁
}
V(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
P(Write); // Write 加锁
写文件;
V(Write); // Write 解锁
P(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
WriterCount--;
if (WriterCount == 0){ // 如果是最后一个写进程
V(Read); // 则对读者解锁
}
V(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
}
}
如果读者写者到达的顺序是：读者 1--读者2--读者 3--写者 A--读者 4--写者 B--读者 5，则：
- 读者 1、读者 2、读者 3 到达，Write 加锁，开始读；
- 写者 A 到达，Read 加锁，但是读者还在读，Write 锁仍未释放，因此不能写；
- 读者 4 到达，Read 锁仍未释放，不能开始读；
- 写者 B 到达，Write 锁仍未释放，因此不能写；
- 读者 5 到达，Read 锁仍未释放，不能开始读；
- 等到读者 1 到 3 都读完，释放 Write 锁，写者 A 才可以开始写，写完后 Write 解锁。由于写者 A 不是最后一个写进程，因此 Read 不解锁；
- 写者 B 进行写操作，写完后 Write 解锁，由于写者 B 是最后一个写进程，因此 Read 解锁；
- 读者 4、读者 5 依次进行读操作。
题目 1：南北过桥问题
【题目 1】有桥如下图所示，车流如箭头所示，桥上不允许两车交汇，但允许同方向多辆车依次通过（即桥上可以有多个同方向的车）。用P、V操作实现交通管理以防止桥上堵塞。
【解答】直接套“三段式”，如下：
int count1 = 0; // 北到南的车辆数
int count2 = 0; // 南到北车辆数
信号量 bridge = 1;
信号量 mutex1 = 1;
信号量 mutex2 = 1;
北到南(){
P(mutex1);
count1++;
if (count1 == 1){
P(bridge);
}
V(mutex1);
北到南过桥;
P(mutex1);
count1--;
if (count1 == 0){
V(bridge);
}
V(mutex1);
}
南到北(){
P(mutex2);
count2++;
if (count2 == 1){
P(bridge);
}
V(mutex2);
南到北过桥;
P(mutex2);
count2--;
if (count2 == 0){
V(bridge);
}
V(mutex2);
}
题目 2：录像厅问题
【题目 2】假设一个录像厅有 0,1,2 三种不同的录像片可由观众选择放映。录像厅的放映规则为：
- 任何时刻最多只能放映一种录像片，正在放映的录像片是自动循环放映的。最后一个观众主动离开时结束当前录像片的放映。
- 选择当前正在放映录像片的观众可立即进入，允许同时有多位选择同一中录像片的观众同时观看，同时观看的观众数量不受限制。
- 等待观看其他录像片的观众按到达顺序排队，当一种新的录像片开始放映时，所有等待观看该录像片的观众可一次进入录像厅同时观看。
【解答 1】本题也可以直接套“三段式”，如下：
int count0 = 0; // 看影片 0 的观众数
int count1 = 0; // 看影片 1 的观众数
int count2 = 0; // 看影片 2 的观众数
信号量 movie = 1;
信号量 mutex0 = 1;
信号量 mutex1 = 1;
信号量 mutex2 = 1;
看影片0的观众(){
P(mutex0);
count0++;
if (count0 == 1){
P(movie);
}
V(mutex0);
看影片0;
P(mutex0);
count0--;
if (count0 == 0){
V(movie);
}
V(mutex0);
}
看影片1的观众(){
P(mutex1);
count1++;
if (count1 == 1){
P(movie);
}
V(mutex1);
看影片1;
P(mutex1);
count1--;
if (count1 == 0){
V(movie);
}
V(mutex1);
}
看影片2的观众(){
P(mutex2);
count2++;
if (count2 == 1){
P(movie);
}
V(mutex2);
看影片2;
P(mutex2);
count2--;
if (count2 == 0){
V(movie);
}
V(mutex2);
}
【解答 2】借助“写进程优先”的思想，观看某影片的观众在进去前，可以先把要观看其他影片的观众先上锁，让他们暂时阻塞，如下：
int count0 = 0; // 看影片 0 的观众数
int count1 = 0; // 看影片 1 的观众数
int count2 = 0; // 看影片 2 的观众数
信号量 mutex0 = 1; // 影片 0 的互斥锁，兼有对变量 count0 的互斥功能
信号量 mutex1 = 1; // 影片 1 的互斥锁，兼有对变量 count1 的互斥功能
信号量 mutex2 = 1; // 影片 2 的互斥锁，兼有对变量 count2 的互斥功能
看影片0的观众(){
P(mutex0);
count0++;
if (count0 == 1){ // 第一个进去的观众把其他影片的观众“挡住”
P(mutex1);
P(mutex2);
}
V(mutex0);
看影片0;
P(mutex0);
count0--;
if (count0 == 0){ // 最后一个出来的观众允许其他影片的观众进来
V(mutex1);
V(mutex2);
}
V(mutex0);
}
看影片1的观众(){
P(mutex1);
count1++;
if (count1 == 1){ // 第一个进去的观众把其他影片的观众“挡住”
P(mutex0);
P(mutex2);
}
V(mutex1);
看影片1;
P(mutex1);
count1--;
if (count1 == 0){ // 最后一个出来的观众允许其他影片的观众进来
V(mutex0);
V(mutex2);
}
V(mutex1);
}
看影片2的观众(){
P(mutex2);
count2++;
if (count2 == 1){ // 第一个进去的观众把其他影片的观众“挡住”
P(mutex0);
P(mutex1);
}
V(mutex2);
看影片2;
P(mutex2);
count2--;
if (count2 == 0){ // 最后一个出来的观众允许其他影片的观众进来
V(mutex0);
V(mutex1);
}
V(mutex2);
}
看似没毛病吧。然而，事实上这段代码是有问题的，可能会引发死锁，哈哈哈……你发现了吗？
题目 3：更衣问题
【题目 3】某男⼦⾜球俱乐部，有教练、队员若⼲。每次⾜球训练开始之前，教练、球员都需要先进⼊更⾐室换⾐服，可惜俱乐部只有⼀个更⾐室。教练们脸⽪薄，⽆法接受和别⼈共⽤更⾐室。队员们脸⽪厚，可以和其他队员⼀起使⽤更⾐室。如果队员和教练都要使⽤更⾐室，则应该让教练优先。请使⽤ P、V 操作描述上述过程的互斥与同步，并说明所⽤信号量及初值的含义。
【解答】把教练视为写进程，把队员视为读进程，更衣室视为缓冲区，则该题需要实现的“写进程优先”。如下：
int ReaderCount = 0; // 读者数量
int WriterCount = 0; // 写者数量
信号量 Read = 1; // “读文件”的互斥锁
信号量 Write = 1; // “写文件”的互斥锁
信号量 ReaderMutex = 1; // 变量 ReaderCount 的互斥锁
信号量 WriterMutex = 1; // 变量 WriterCount 的互斥锁
Reader(){ // 读者进程（相当于教练）
while(1){
P(Read); // 每个读进程都需要对 Read 加锁
P(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥
ReaderCount++;
if (ReaderCount == 1){ // 如果是第一个读进程
P(Write); // 则对写者上锁
}
V(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥
V(Read); // Read 解锁
读文件;
P(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥
ReaderCount--;
if (ReaderCount == 0){ // 如果是最后一个读进程
V(Write); // 则对写者解锁
}
V(ReaderMutex); // 对 ReadCount 的互斥
}
}
Writer(){ // 写者进程（相当于队员）
while(1){
P(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
WriterCount++;
if (WriterCount == 1){ // 如果是第一个写进程
P(Read); // 则对读者上锁
}
V(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
P(Write); // Write 加锁
写文件;
V(Write); // Write 解锁
P(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
WriterCount--;
if (WriterCount == 0){ // 如果是最后一个写进程
V(Read); // 则对读者解锁
}
V(WriterMutex); // 对 WriterCount 的互斥
}
}
