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        進程同步通信經(jīng)典問題—讀者寫者問題的算法分析與設計

        2021-07-22 07:07:54曾思源徐艷
        電子測試 2021年12期
        關鍵詞:信號量進程優(yōu)先

        曾思源,徐艷

        (四川大學錦城學院計算機與軟件學院,四川成都,611731)

        關鍵字:讀者和寫者;同步通信;PV操作算法

        0 引言

        一個共享的數(shù)據(jù)集合,會面臨同時被多個進程訪問的情況。一個存儲器,一個數(shù)據(jù)庫,亦或是內存中的一個寄存器,都可以成為這個數(shù)據(jù)集合。其中一類進程只有讀取數(shù)據(jù)的需求,且不會對數(shù)據(jù)進行修改,我們稱此類進程為讀進程。而另外一類進程會對數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進行修改,我們稱之為寫進程。

        無論是多少個讀進程存在,都不會對數(shù)據(jù)進行修改,因此讀進程是被允許同時訪問的。但是寫進程是不會被允許與其他讀/寫進程同時訪問數(shù)據(jù)集,因為這將違反Bernstein條件,破壞數(shù)據(jù)的完整性、正確性。

        1 讀者寫者問題的算法分析

        1.1 信號量控制

        要實現(xiàn)讀寫進程之間的互斥,我們首先想到的就是添加信號量。

        在操作系統(tǒng)中,信號量在解決多種多樣的進程同步問題起到了至關重要的作用,比如,信號量能夠保證兩個或者多個臨界區(qū)不被并發(fā)調用。同時,信號量本質上代表的,是某種資源的可利用數(shù)量。

        信號量只能通過初始化和兩個標準的原語來訪問--作為OS核心代碼執(zhí)行,不受進程調度的打斷[1]。P操作減少一個信號量的值,如果它的值大于零,進程繼續(xù)執(zhí)行,否則就睡眠,等待喚醒;而V操作增加它的值,若有進程在此信號量上睡眠,則喚醒之[2]。

        在該問題當中,我們首先嘗試使用信號量rw來達到我們的需求。因為讀寫算法相同,所以以寫算法為例。信號量rw初始值賦為1。算法如下:

        寫進程:

        1.2 存在的問題

        假如此時有個讀進程A進入程序,首先會通過P(rw)拿走資源,然后進入臨界區(qū)進行讀文件操作。在此同時,寫進程B也試圖進入程序,由于讀進程A還沒有進行V(rw),所以寫進程B會被阻塞,只有當讀進程A通過V(rw)釋放掉資源,寫進程B才能進入臨界區(qū)。

        此算法的確解決了讀寫進程之間的互斥問題,但在此同時,多個讀進程之間也變成互斥訪問了,并不滿足引言中所提出的需求,因此這種算法不能達到要求。

        1.3 改進算法——讀者程序加入計數(shù)器實現(xiàn)讀者優(yōu)先

        我們通過1.1發(fā)現(xiàn),只加入一組信號量不能解決問題。因此,在這里引入一個變量count,用來記錄當前正在訪問數(shù)據(jù)集的進程的數(shù)量,進而能更方便的解決后面的問題。所有信號量初值均賦為1,count初值賦為0,寫進程算法與1.1相同,因此不再贅述。實現(xiàn)如下:

        可以很明顯的看出,該算法與1.1最大的區(qū)別是在P(rw)和V(rw)操作的兩側,加入了帶if檢測的count計數(shù)器。Count代表的是訪問該進程的讀進程數(shù)量,進入程序/退出程序時會進行自動的加減。If語句中的條件,目的是判斷當前還有多少個讀進程在訪問臨界資源,如果是第一個進程,便會通過P(rw)操作將寫進程給阻塞掉。同時,因為有if的存在,不滿足條件的后來的讀進程不會因為前一個讀進程而阻塞在P(rw),從而實現(xiàn)了讀進程之間的同步訪問。

        需要特別注意的是,在控制count加減和加/解鎖操作的兩側,都加入了新信號量mutex,保證count的增減和加/解鎖操作的連貫性。試想,假如沒有該信號量,此時進來讀進程A,剛進行了P(rw)的操作,還沒來得及進行count++的操作,又進來另一個讀進程B,此時的count還是為零,滿足if判斷的結果,試圖用P操作上鎖,但由于前一個進程A沒有執(zhí)行V操作釋放信號量,所以進程B就被阻塞了,這是不能被允許的。

        1.4 讀者優(yōu)先存在的問題

        這種算法,基本實現(xiàn)了引言中的需求。但是弊端也很明顯,當讀者進程源源不斷的進入,寫者進程會一直處于等待資源的狀態(tài),也就是說,寫進程會被“餓死”。因此這種算法不算是完美的,是一種優(yōu)先服務讀進程的算法。

        1.5 進一步改進算法——寫者程序加入計數(shù)器實現(xiàn)寫者優(yōu)先

        在1.3中,單獨在讀進程中加入帶檢測的count變量,雖然解決了一部分問題,但也帶來了新的問題。所以我們現(xiàn)在試著將count計數(shù)器變量加在寫者進程。需要特別注意的是,要同時滿足引言中讀-讀同步訪問的要求的話,我們就不能像在1.3中,將count單獨加入到寫進程中。因此,我們要在1.3的基礎上,在寫進程這邊添加帶if檢測的count變量。

        count在寫進程中也是起到統(tǒng)計其進程數(shù)量的作用,當寫進程的數(shù)量滿足條件的時候,我們能讓其主動的做一定的操作,而不是被動的將資源讓給一直涌入的讀進程。以下變量初值與1.3相似,讀進程算法與1.3相同,在此不再贅述。實現(xiàn)如下:

        在這里,讀寫進程的count變量起到了類似的作用,下面以實例驗證之。

        假如此時有三個程序:讀進程A,寫進程B,讀進程C依次進入隊列。我們假設讀進程A此時已經(jīng)進入臨界區(qū),正在讀取數(shù)據(jù),那該進程一定經(jīng)過了P(mutex2),P(mutex1),P(mutex),P(rw),V(mutex),V(mutex1),V(mutex2) 這些操作。此時如果寫進程B也想訪問臨界區(qū)資源,由于此時寫進程B是第一個到達的該類進程,能通過if的檢測,將會占用信號量mutex1。但是由于讀進程還在臨界區(qū),并沒有釋放信號量rw,所以寫進程會被阻塞。在此同時,新加入的讀進程C,一定會經(jīng)過P(mutex2),但是由于寫進程沒有釋放mutex1,所以讀進程C也會被阻塞。只有當讀進程A釋放掉信號量P(rw)的時候,才會將寫進程B喚醒,進行寫操作。寫進程B完成操作后,會再次檢測后面是否還有寫進程,如果沒有,才會釋放掉信號量mutex1。后面的讀進程才有機會進行臨界區(qū)。

        1.6 寫者優(yōu)先存在的問題

        顯然,這種算法是一種寫者優(yōu)先的算法。只要存在寫進程,就會阻塞后來的讀進程。同時假如存在多個讀寫程序,系統(tǒng)也會優(yōu)先喚醒寫進程。

        2 另一種公平的讀者寫者算法

        上面的所有算法,在實現(xiàn)需求的同時,都有所偏袒,面對極端情況下會出現(xiàn)問題。所以我們決定按照進程到達的先后順序,進行算法的實現(xiàn),以下算法變量初值與前篇類似。此算法部分內容與1.3有重復之處,同時由于篇幅有限,因此在此簡單描述增加的信號量:在1.3的寫進程基礎上,首尾增加信號量w;在1.3讀進程的第一個信號量mutex前后增加信號量w。

        下面是該算法的分析。

        在1.3中,我們發(fā)現(xiàn)只要有讀進程存在,信號量rw的使用權就會一直在讀進程手中,這種情況在加入信號量w后發(fā)生了改變:我們發(fā)現(xiàn),即使是后進來的寫進程,也能通過搶占信號量w來保證自己不被“餓死”,且進程之間的執(zhí)行順序完全是按照搶占w的順序,即進入隊列的先后順序。同時此算法也滿足引言中的其他需求,類似于是一種“先來先服務”的算法,不會造成讀/寫進程的“饑餓”,也能提高系統(tǒng)的效率。

        3 讀者寫者問題的實際應用

        各類聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)會難以避免的遇到頻繁的數(shù)據(jù)查詢和更新請求。此時的查詢請求,比如多個消費者試圖查看剩余售票情況是允許的。但系統(tǒng)允許一條更新請求執(zhí)行的過程中,此時則其他所有請求都不能被允許。否則就會出現(xiàn)一張票被賣出多次的情況。

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