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操作系统经典PV操作——读者-写者问题的公平性实现

news 2025/9/28 7:41:42

一、引言

在经典的同步互斥问题中，读者-写者是一个经典的用于模拟多进程对共享资源的访问的模型。在我的这篇博客里，详细介绍了一种最简单的实现方式：

https://blog.csdn.net/Wu_Deng_Sheng/article/details/149916391?spm=1001.2014.3001.5502

但这种方式有一个严重的问题，即“写者饥饿”。当读者进程源源不断地进来时，count始终大于0，那么写者进程便会无限等待下去，最终导致写者饥饿。而本文旨在介绍一种公平的算法，来解决这一问题。

二、问题解决

想要实现公平性，那么在读者写者想要申请资源的第一步，便要进入同一竞争队列，避免某一类进程长期抢占资源，下面我将来详细展开说明。

① 第一步：有几类进程？

与基础解法一致，系统中仅存在两类进程，且同类进程操作逻辑完全相同：

1、读者进程：仅读取共享资源，不修改数据，支持多个读者进程进程并发读取文件。

2、写者进程：修改共享资源，需独占访问，执行时不允许其他读写进程访问文件。

② 第二步：需要完成哪些限制——信号量设置

在基础解法的信号量基础上，新增一个关键信号量w，用于实现读者与写者的公平竞争入口。

int 变量

count = 0 记录读取数据的读者数量；

互斥信号量：

rw = 1 读者与写者互斥访问文件

mutex = 1 互斥访问修改count变量

w = 1

公平性实现核心，读者与写者在申请资源前，需要先竞争该信号量，即第一个大锁，确保两类进程进入同一等待队列，避免某一类长期霸占资源。

③ 他们分别要完成哪些任务？

对写者来说：

进入系统 —> 全局等待队列 —> 确定是否可以修改数据 —> 修改数据 —> 离开

1、独占写

2、不饥饿（先申请w信号量，防止后续写者插队）

while (1) {   // 1. 第一步：申请公平竞争信号量w，进入全局等待队列// 若此时有读者或写者持有w，当前写者阻塞，避免被后续读者插队P(w);          // 2. 第二步：申请互斥锁（阻止读者和其他写者）P(rw);         // 3. 非临界区写操作;         // 4. 第三步：释放互斥锁V(rw);         // 5. 第四步：释放公平竞争信号量w，让等待队列中的下一个进程进入V(w);          
}

对读者来说：

进入系统 —> 全局等待队列 —> 确定是否可以读数据 —> 读数据 —> 离开

1、并发读

2、不抢占写者（先申请w信号量，避免后续写者插队到写者之前）

while (1) { // 1. 第一步：申请公平竞争信号量w，进入全局等待队列// 若此时有写者或其他读者持有w，当前读者阻塞，避免持续抢占P(w);          // 2. 第二步：申请count互斥锁P(mutex);         // 3. 临界区：读者数量加1count++;         // 4. 若是第一个读者，申请rw信号量，阻止写者访问// 第一个读者持有rw后；后续读者无需再申请rw（支持并发读）if (count == 1) {P(rw);      }         // 5. 释count修改权限V(mutex);         // 6. 释放w信号量，让等待队列中的下一个进程（读者或写者）获得竞争权V(w);         // 7. 非临界区读操作;         // 8. 第三步：再次申请count互斥锁P(mutex);         // 9. 临界区：读者数量减1count--;         // 10. 若是最后一个读者，释放rw互斥锁，允许写者访问if (count == 0) {V(rw);      }         // 11. 释放count修改权限V(mutex);  
}