最近碰到一些锁机制的问题，想起大三的时候做过的一个小课设，记录复习一下。

问题描述：

一个数据文件可以被多个进程共享，其中，有些进程要求读（reader进程），而另一些进程要求对数据进行写或修改（writer进程）。允许多个reader进程同时读一个共享对象，因为读操作不会使数据文件混乱，但绝不允许一个writer进程和其他reader进程或writer进程同时访问共享对象。所谓“读者-写者问题”是指保证一个writer进程必须与其他进程互斥访问共享对象的同步问题。

本课题所设计的系统要求实现以下功能：

创建一个文件sharefile作为共享数据存放的文件。

创建2个reader进程及2个writer进程，4个进程共享使用文件sharefile。

使用信号量机制，编写“读者-写者问题”的实现代码，使得每个writer进程与其他进程互斥访问共享文件sharefile。

要求给出编译所用到的makefile文件。

构思与解决过程

方法一：

1、代码结构与相关知识：

此处将代码分为四个部分，分别是文件锁操作lock_set.c ，线程控制操作(包含文件读写及一系列核心操作)threads.c　，具体线程创建及信号量控制writers.c, reads.c，以及makefile。

在开展此课程设计之前重点复习了线程控制与线程间通信，尤其是信号量部分。在文件读写模块采用了底层文件读写技术,及文件锁的运用。

一、关于信号量：

此处需要两种信号量：

１．控制读的资源信号量(read_mutex），理论上可以有无数个。

２．控制写的资源信号量(write_mutex)，只能有一个。

３．在进行读的时候除了要对read_mutex进行ｐ操作外还需要先对write_mutex进行ｐ操作，以此保证写进程的唯一占有资源。（此处采用读者优先算法）。

二、关于读者写者之间的同步细节实现问题

为方便操作起见，在此自定义了一个文件状态描述符（代码如下）:

int fileState=0;//show file state (0:no operator , 1:writing , 2:reading)

即在描述符为０时表示当前无进程对其操作；在为１时表示有线程在对此文件进行写操作，此时读者线程需进行等待；在为２时表示有读者进程对文件进行读操作，此时写进程需要等待。详细描述如下：

１，在进入读者线程时需要对文件描述符进行检测，若不满足读文件条件则等待并且每隔一段时间进行探测，间隔时间可根据实际环境进行修改。而在检测条件通过后根据文件是否成功打开需要对文件状态描述符进行修改，代码描述如下：

//judge fileStatewhile(fileState==1){printf("this file using by writer! waiting...(%d)",getpid());sleep(1);}int fr=open("./sharefile",O_RDONLY);if(fr==-1){perror("error: open file!\n");pthread_exit(NULL) ;}//modify the fileStatefileState=2;

２，在进入写者线程时同样需要进行文件状态监测以及文件状态描述符的修改，其与读者线程类似。（代码如下）：

//judge fileStatewhile(fileState==2){printf("this file using by writer! waiting...(%d)",getpid());sleep(1);}//1.open fileint fw=open("./sharefile",O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0600);if(fw==-1){perror("error: open file!\n");pthread_exit(NULL) ;}//modify the fileStatefileState=1;

方法二：

经测试发现方法一有一定的局限性，比如为了分享同一个文件状态码导致体系内所有线程只能在一个进程下运行。故在此运用系统API对文件进行上锁解锁等相关操作。

1、解决思路如下：

在此启用两个进程reads,writers，分别产生相应数量的子线程模拟多线程的读写协调问题。比如在此让reads创建２个读线程，writers产生２个写线程，４个线程同时对同一个文件进行相应操作。读写两类线程间运用文件锁机制进行协调，而同一类线程间运用信号量进行协调，其中读进程间是可以同时进行的，所以实际需要运用信号量同步的是写线程之间。而为了模拟实际操作中的随机性，在此让每个读或写线程运行时进行随机时间挂起，以此来让其他线程进入冲突解决状态（在发生冲突的情况下）。

2、核心代码如下：

//1.open file int fw=open("./sharefile",O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0600);	if(fw==-1){perror("error: open file!\n");pthread_exit(NULL) ;}//modify the fileState//fileState=1;//function 2 (using system API)//add F_WRLCKlock_set(fw,F_WRLCK);int tnum=(int)arg;int writeSize=0;char buf[bufSize];//printf("          I'm writer, sem NO:%d!\n",tnum);//p operatorsem_wait(&sem_W[tnum]);char str[50];strcpy(str,"my thread number is:");char strTail[10];char wget;int count=0;memset(buf,0,bufSize);//clear buf String//2 auto input from argumentsprintf(strTail,"%d",getpid());//整数转换字符串strcat(str,strTail);//get localTimetime_t timep;time(&timep);strcat(str,ctime(&timep));strcpy(buf,str);		//2.model system delay lead to timeout(sleep)delay_t=(int)(rand()*delayTimeRange/RAND_MAX)+1;printf("         I'm writer, thread NO:%d ,now i will sleep for %d second!\n",getpid(),delay_t);sleep(delay_t);printf("     inputed String :%s (length:%d)\n",buf,(int)strlen(buf));//begin write to filewrite(fw,buf,strlen(buf));//unlocklock_set(fw,F_UNLCK);close(fw);//modify the fileState//fileState=0;printf("write success!TNO.%d\n",getpid());pthread_exit(NULL) ;

实验结果截图及解释

运行结果截图：

（1）读者写者之间的冲突解决：

Ｔ１创建两个写者线程

Ｔ２创建四个读者线程（为了让实验体现更加清晰在此启用四个读者线程）

可以看到图片展示了在读者进程与写者进程簇同时对文件进行操作时会有相应的避让等待操作，即在两类线程之间读写时会对文件施加建议锁或者是强制性锁，在对文件操作完后释放锁。

（2）写者与写者之间的冲突解决：

可以看到在两个写者进程簇对同一个文件进行写入操作遇到冲突时，后来者需要等待操作，该操做基于系统文件强制性锁实现。

３，读者与读者之间：（读者与读者之间读取文件时施加的是建议锁，互不干扰。）

（4）读写文件（共享文件）记录如下：

（5）思路总结：

在以上同一类进程下产生了多个线程，在此除了协调不同进程间对文件的操作外还需要借助信号量解决同一进程下的不同线程间协调一致性的问题，否则会导致线程间运行结果输出混乱的问题。解决代码如下：（在此举例的是写者代码，读者代码信号量处理与此类似）

void writers(){void *thread_ret;pthread_t write_thread[WR_THREAD_NUM];int res;int i=0;//create writer threadfor(i=0;i<WR_THREAD_NUM;i++){sem_init(&sem_W[i],0,0);//sem_initial(sem_W[i],0);res=pthread_create(&write_thread[i],NULL,writerThread,(void*)i);if(res!=0){perror("create writer thread fail!\n");exit(1);}else{printf("create writer thread success:%d\n",i);}}printf("All write thread created success!\n");/*printf("sleeping...\n");sleep(5000);printf("wake!\n");*/sem_post(&sem_W[0]);//begin writer thread//sem_p(sem_W[0]);for(i=0;i<WR_THREAD_NUM;i++){res=pthread_join(write_thread[i],&thread_ret);if(res!=0){perror("join error!\n");}else{printf("thread have been joined!(%d)\n\n\n\n",i);}//v handleif(i<WR_THREAD_NUM){sem_post(&sem_W[i+1]);}//sem_p(sem_W[i]);}//destroy semfor(i=0;i<WR_THREAD_NUM;i++){sem_destroy(&sem_W[i]);//sem_del(sem_W[i]);}}

（6）流程图：

总结

在本次课程设计中，学习了线程间的协调一致问题（使用信号量解决），进程间文件操作的协调一致（使用文件锁解决），以及基本文件的读写操作。其中在第一次时由于没有考虑到文件锁的运用问题，故采用了自定义文件描述符的方法，但在此中发现无法协调进程间操作文件的协调问题，而后采用了系统API（文件锁）较好的解决了此课题。在操作过程中为了体现线程间的信号量运用问题，采用了一个进程下创建多个线程的方法，同时为了使运行过程便于观察引入了随机时间挂起线程的方法。