读者-写者问题解决方式

上一篇博客记录了如何解决多生产者多消费者的问题,这篇文章用来讲一讲如何解决读者-写着问题。

读者-写者问题:系统中有多个读进程和写进程共同访问一个文件资源,读进程只是读取文件内容,而写进程则会修改文件内容。
不难看出读进程之间是可以同时访问共享资源的,但一个写进程必须要保证和其他写进程、读进程互斥访问文件资源。

因为每个写进程是需要和其他写进程读进程互斥访问文件资源的,因此需要设置一个信号量rw=1,在写进程进入临界区前后分别对rw执行PV操作,但读进程呢?如果读进程也只是简单的在读文件资源前后对rw执行PV操作,那读进程之间很显然也不能同时访问文件资源了,如何解决这个问题呢?

一个有效的解决方案是设置一个变量count=0,用来记录此时有多少个读进程正在读文件资源。读进程在读文件之前对count进行一次判断,如果count==0,那么就代表此读进程是第一个要访问文件的读进程,该读进程需要对rw执行P操作;如果count>0,就代表之前已经有读进程正在访问共享文件了,该读进程无需对rw执行P操作,直接开始访问共享文件。当最后一个读进程执行完毕时,需要对rw执行V操作。伪代码如下:

Semaphore rw = 1;
int count = 0;

void reader(){
	while(true){
		if(count == 0){
			P(rw);
		}
		count++;
		//读共享文件代码段...
		count--;
		if(count == 0){
			V(rw);
		}
	}
}

void writer(){
	while(true){
		P(rw);
		//对共享文件执行写操作
		V(rw);
	}
}

试想一下,上述代码很可能会出现一种情况:第一个读进程判断count==0,执行了P(rw)操作,但还未来得及执行count++操作,此时第二个读进程也判断count ==0,便阻塞在了P(rw)操作上。因此我们需要保证对count进行判断和修改的原子性,新增一个信号量mutex=1,伪代码优化如下:

Semaphore rw = 1;
int count = 0;
Semaphore mutex =1;	

void reader(){
	while(true){
		P(mutex);
		if(count == 0){
			P(rw);
		}
		count++;
		V(mutex);
		//读共享文件代码段...
		P(mutex);
		count--;
		if(count == 0){
			V(rw);
		}
		V(mutex);
	}
}

void writer(){
	while(true){
		P(rw);
		//对共享文件执行写操作
		V(rw);
	}
}

上述代码基本解决了读者-写者存在的同步问题,但所有问题都被完美解决了吗?其实并没有,想象一种情况,第一个读进程对rw执行了P操作,此时某个写进程便阻塞在了对rw的P操作上,如果后续有源源不断的读进程进入,那么该写进程永远也无法进入写临界区,也就是说上述代码存在对于读进程的偏向性,如何解决呢?

一个思路是增加一个信号量w=1,用于实现写优先,代码优化如下:

```c
Semaphore rw = 1;
int count = 0;
Semaphore mutex =1;	
Semaphore w = 1;

void reader(){
	while(true){
		P(w);
		P(mutex);
		if(count == 0){
			P(rw);
		}
		count++;
		V(mutex);
		V(w);
		//读共享文件代码段...
		P(mutex);
		count--;
		if(count == 0){
			V(rw);
		}
		V(mutex);
	}
}

void writer(){
	while(true){
		P(w);
		P(rw);
		//对共享文件执行写操作
		V(rw);
		V(w);
	}
}

具体为何能解决,大家模拟一遍代码的执行过程,这里不做阐述。

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