用信号量解决同步互斥问题 - 读者写者问题

综述

OS老师上课在讲解读者和写者问题时，一般会按照三个层次展开讲解。根据信号量的分布和控制逻辑，大体可以将读者-写者问题按由易到难分成如下这三大类：

本文将从这三类中选择关键的例子以“注解+代码”的形式按序剖析。

Cases

读优先 (占位后读优先)

rw用于实现写写互斥，读写互斥，但也导致了读读互斥。

ReaderCnt的相关操作在写写互斥和读写互斥的基础上实现了读读不互斥，同时也实现了占位后读优先。

mutex1用于对ReaderCnt的读写操作提供互斥保护。

int ReaderCnt=0;
Semaphore mutex1=1, rw=1;

Reader(){
    P(mutex1);
    ReaderCnt++;	
    if(ReaderCnt==1) P(rw);
    V(mutex1);

    Reading();

    P(mutex1);
    ReaderCnt--;
    if(ReaderCnt==0) V(rw);
    V(mutex1);
}

Writer(){
    P(rw);
    Writing();
    V(rw);
}

绝对读优先 (满足占位前后均读优先)

w用于在写的最外层再建立一个父队列，这样rw的队列中不会出现写。不论之前到达了多少写，任意首次到达的读均能够直接被放到rw首部，即"总能跳过所有写"。待正在执行的写进程退出后，立刻执行这个首次到达的读，即读占位，从而实现占位前优先。

int ReaderCnt=0;
Semaphore mutex1=1, rw=w=1;

Reader(){
    P(mutex1);
    ReaderCnt++;	
    if(ReaderCnt==1) P(rw);
    V(mutex1);

    Reading();

    P(mutex1);
    ReaderCnt--;
    if(ReaderCnt==0) V(rw);
    V(mutex1);
}

Writer(){
    P(w);
    P(rw);
    Writing();
    V(rw);
    V(w);
}

读写公平 (满足FCFS调度)

q用于实现一个读和写的FIFO公共队列，这个队列中进程的顺序与进程的到达次序一致，从而实现FCFS，即读写公平。

Reader()中V(q)的位置很巧妙：首先，V(q)应在V(mutex1)之后，这是由对称性决定的，因为P(q)恰好在P(mutex1)之前，这个对称性一旦被破坏，会进一步使mutex1的功能也被破坏；另一方面，Reading()允许并行执行，若把V(q)放到Reading()之后将会破坏这一条件，使得读不能并行。综上，V(q)应放在第一个V(mutex1)和Reading()之间。

扩展：如果把这里的Reading()换成Writing()，那么V(q)的位置可以放到Writing()之后，或者Reader()的最末尾。因为Writing()本来就不能并行，上段中的第二个位置约束不再成立。

int ReaderCnt=0;
Semaphore mutex1=1, rw=q=1;

Reader(){
    P(q);
    P(mutex1);
    if(ReaderCnt==0) P(rw);
    ReaderCnt++;	
    V(mutex1);
    V(q);

    Reading();

    P(mutex1);
    ReaderCnt--;
    if(ReaderCnt==0) V(rw);
    V(mutex1);
}

Writer(){
    P(q);
    P(rw);
    Writing();
    V(rw);
    V(q);
}

绝对写优先 (满足占位前后均写优先)

类似地，ReaderCnt和wpao实现占位后优先，wpbo实现占位前优先。

wpbo = Write Priority Before Occupation，wpao = Write Priority After Occupation。

int ReaderCnt=0, WriterCnt=0;
Semaphore mutex1=mutex2=1, rw=wpbo=wpao=1;

Reader(){
    P(wpbo);
    P(wpao);
    P(mutex1);
    ReaderCnt++;
    if(ReaderCnt==1) P(rw);
    V(mutex1);
    V(wpao);
    V(wpbo);

    Reading();

    P(mutex1);
    ReaderCnt--;
    if(ReaderCnt==0) V(rw);
    V(mutex1);
}

Writer(){
    P(mutex2);
    WriterCnt++;
    if(WriterCnt==1) P(wpao);
    V(mutex2);

    P(rw);
    Writing();
    V(rw);

    P(mutex2);
    WriterCnt--;
    if(WriterCnt==0) V(wpao);
    V(mutex2);
}