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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上某某大學(xué)課程設(shè)計報告課程名稱： 操作系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計題目： 讀者寫者問題 系 別： 計算機(jī)系 專 業(yè)： 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 組 別： 第四組 學(xué)生姓名: 某某某 學(xué) 號: 起止日期: 指導(dǎo)教師: 專心-專注-專業(yè)目 錄1、需求分析1.1 課程設(shè)計題目 課程設(shè)計題目：讀者寫者問題1.2課程任務(wù)及要求編寫程序?qū)崿F(xiàn)讀者寫者算法（讀_寫互斥，讀_讀允許，寫寫互斥）給出解決方案（包括說明設(shè)計實現(xiàn)的原理，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等）畫出程序的基本結(jié)構(gòu)框圖和流程圖分析說明每一部分程序的的設(shè)計思路實現(xiàn)源代碼按期提交完整的程序代碼和可執(zhí)行程序根據(jù)要求完成課程設(shè)計報告總結(jié)1.3課程設(shè)計思想 讀者-寫

2、者問題是一個經(jīng)典的并發(fā)程序設(shè)計問題。有兩組并發(fā)進(jìn)程：讀者和寫者，共享文件F，要求：(1) 允許多個讀者同時對文件執(zhí)行讀操作；(2) 只允許一個寫者對文件執(zhí)行寫操作；(3) 任何寫者在完成寫操作之前不允許其他讀者或?qū)懻吖ぷ鳎?4) 寫者在執(zhí)行寫操作前，應(yīng)讓已有的寫者和讀者全部退出。 單純使用信號量不能解決此問題，必須引入計數(shù)器readcount對讀進(jìn)程記數(shù)。 為了有效的解決讀者寫者問題，需要引進(jìn)讀者-寫者鎖，允許多名讀者同時以只讀的方式存取有鎖保護(hù)的對象；或一位寫者以寫方式存取有鎖保護(hù)的對象。當(dāng)一名或多名讀者上鎖后，此時形成讀鎖，寫者將不能訪問有鎖保護(hù)的對象；當(dāng)鎖被請求者用于寫操作時，形成寫鎖，

3、其他進(jìn)程的讀寫操作必須等待。1.4軟硬件運行環(huán)境及開發(fā)工具本課程設(shè)計在windows操作系統(tǒng)下，使用java語言完成的。2、 概要設(shè)計2.1程序流程圖本系統(tǒng)主要有讀者和寫者兩類對象，所以系統(tǒng)主要針對的是這兩類對象的操作。讀者類對象的流程圖如下：圖2.1 讀者類對象寫者類對象的流程圖如下：圖2.2 寫者類對象2.2所用原理2.2.1 并發(fā)原理進(jìn)程的并發(fā)是指一組進(jìn)程的執(zhí)行在時間上重疊的，所謂的時間重疊是指一個進(jìn)程執(zhí)行第一條指令是在另一個進(jìn)程執(zhí)行完最后一條指令之前開始的。并發(fā)的實質(zhì)是處理器在幾個進(jìn)程之間的多路復(fù)用，并發(fā)是對有限物理資源強(qiáng)制行使多用戶共享，消除計算機(jī)部件之間的互等現(xiàn)象，提高系統(tǒng)資源的利

4、用率。并發(fā)進(jìn)程可能是無關(guān)的，也可能是交互的。進(jìn)程的交互必須是有控制的，否則會出現(xiàn)不正確的計算結(jié)果。2.2.2 互斥操作原理 互斥是指若干進(jìn)程因互相爭奪獨占型資源而產(chǎn)生的競爭制約關(guān)系。 并發(fā)進(jìn)程中與共享變量有關(guān)的程序段稱為“臨界區(qū)”，共享變量所代表的資源稱為“臨界資源”，臨界區(qū)必須以一種相對于其他進(jìn)程而言互相排斥的方式執(zhí)行。如果能夠保證一個進(jìn)程在臨界區(qū)執(zhí)行時，不讓另一個進(jìn)程進(jìn)入相同的臨界區(qū)，即各進(jìn)程對共享變量的訪問是互斥的，那么，就不會引發(fā)與時間有關(guān)的錯誤。 而為了正確而有效地使用臨界資源，共享變量的并發(fā)進(jìn)程應(yīng)遵守臨界區(qū)調(diào)度的三個原則：一次至多有一個進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行；如果已有進(jìn)程在臨界區(qū)中，

5、試圖進(jìn)入臨界區(qū)的其他進(jìn)程應(yīng)等待；進(jìn)入臨界區(qū)內(nèi)進(jìn)程應(yīng)在有限時間內(nèi)退出，以便讓等待隊列中的一個進(jìn)程進(jìn)入。總結(jié)起來有三句話：互斥使用，有空讓進(jìn)；忙則等待，有限等待；擇一而入，算法可行。2.2.3 面向?qū)ο缶幊叹幊淘砻嫦驅(qū)ο笫且环N新興的程序設(shè)計方法，或者說它是一種新的程序設(shè)計范型，其基本思想是使用對象，類，繼承，封裝，消息等基本概念來進(jìn)行程序設(shè)計。它是從現(xiàn)實世界中客觀存在的事物（即對象）出發(fā)來構(gòu)造軟件系統(tǒng)，并在系統(tǒng)構(gòu)造中盡可能運用人類的自然思維方式，強(qiáng)調(diào)直接以問題域（現(xiàn)實世界）中的事物為中心來思考問題，認(rèn)識問題，并根據(jù)這些事物的本質(zhì)特點，把他們抽象地表示為系統(tǒng)中的對象，作為系統(tǒng)的基本構(gòu)成單位（而不是

6、用一些與現(xiàn)實世界中的事物相關(guān)比較遠(yuǎn)，并且沒有對應(yīng)關(guān)系的其他概念來構(gòu)造系統(tǒng)）。這可以使系統(tǒng)直接地映射問題域，保持問題域中事物及其相互關(guān)系的本來面貌。本課程設(shè)計中涉及了兩個對象，因此用面向?qū)ο蟮恼Z言來編程是適合的。我們這次用到了Java語言。2.2.4 鎖機(jī)制原理 為了解決讀者和寫者之間的同步互斥問題，在本課程設(shè)計中要用到Java中的鎖機(jī)制，這樣會給編程帶來很大的方便。 多線程同步的實現(xiàn)最終依賴鎖機(jī)制。我們可以想象某一共享資源是一間屋子，每個人都是一個線程。當(dāng)A希望進(jìn)入房間時，他必須獲得門鎖，一旦A獲得門鎖，他進(jìn)去后就立刻將門鎖上，于是B,C,D.就不得不在門外等待，直到A釋放鎖出來后，B,C,D

7、.中的某一人搶到了該鎖（具體搶法依賴于JVM的實現(xiàn)，可以先到先得，也可以隨機(jī)挑選），然后進(jìn)屋又將門鎖上。這樣，任一時刻最多有一人在屋內(nèi)（使用共享資源）。 Java語言規(guī)范內(nèi)置了對多線程的支持。對于Java程序來說，每一個對象實例都有一把“鎖”，一旦某個線程獲得了該鎖，別的線程如果希望獲得該鎖，只能等待這個線程釋放鎖之后。獲得鎖的方法只有一個，就是synchronized關(guān)鍵字。1 用鎖操作原語實現(xiàn)互斥 為解決進(jìn)程互斥進(jìn)人臨界區(qū)的問題，可為每類臨界區(qū)設(shè)置一把鎖，該鎖有打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)，進(jìn)程執(zhí)行臨界區(qū)程序的操作按下列步驟進(jìn)行： 關(guān)鎖。先檢查鎖的狀態(tài)，如為關(guān)閉狀態(tài)，則等待其打開；如已打開了，則將其

8、關(guān)閉，繼續(xù)執(zhí)行步驟的操作。 執(zhí)行臨界區(qū)程序。 開鎖。將鎖打開，退出臨界區(qū)。 2WAIT，NOTIFY，NOTIFYALL操作原語信號量的初值可以由系統(tǒng)根據(jù)資源情況和使用需要來確定。在初始條件下信號量的指針項可以置為0，表示隊列為空。信號量在使用過程中它的值是可變的，但只能由WAIT，SIGNAL操作來改變。設(shè)信號量為S，對S的WAIT操作記為WAIT（S），對它的SIGNAL操作記為SIGNAL（S）。WAIT（S）：順序執(zhí)行以下兩個動作：1）信號量的值減1，即S=S1；2）如果S0，則該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；如果 S0，則把該進(jìn)程的狀態(tài)置為阻塞態(tài)，把相應(yīng)的WAITCB連人該信號量隊列的末尾，并放棄處

9、理機(jī)，進(jìn)行等待（直至其它進(jìn)程在S上執(zhí)行SIGNAL操作，把它釋放出來為止）。 SIGNAL（S）：順序執(zhí)行以下兩個動作2.2.5 線程的原理線程是進(jìn)程中的實體，一個進(jìn)程可以擁有多個線程，一個線程必須有一個父進(jìn)程。線程不擁有系統(tǒng)資源，只有運行必須的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；它與父進(jìn)程的其它線程共享該進(jìn)程所擁有的全部資源。線程可以創(chuàng)建和撤消線程，從而實現(xiàn)程序的并發(fā)執(zhí)行。一般，線程具有就緒、阻塞和運行三種基本狀態(tài)。2.2.6 讀者寫者問題的一般應(yīng)用 讀者寫者是典型的并發(fā)程序設(shè)計問題，它的方法可以普遍用于多線程的同步互斥問題，對于共享資源出現(xiàn)的問題做出了很好的解決，使得事物并發(fā)的效率更高，類似的問題還有生產(chǎn)者-消

10、費者問題，理發(fā)師問題等等。3、 詳細(xì)設(shè)計本次課程設(shè)計采用的是java語言編寫，所以要用到類，包括讀者類和寫者類，它們都是繼承的線程Thread類，在主程序中創(chuàng)建類對象（讀者對象和寫者對象），用線程來實現(xiàn)并發(fā)讀者類對象和寫者類對象的公共屬性包括： private static final int NAP_TIME=5; private int readerCount; private int writerCount; private boolean dbReading; private boolean dbWriting;通過NAP_TIME調(diào)整線程隨機(jī)休息時間通過readercount和wri

11、tercount來記錄讀者和寫者線程的個數(shù)通過dbreading和dbwriting來判斷讀者和寫者的狀態(tài)，其中讀者是靠判斷writercount>0來實現(xiàn)讀寫互斥的，同時允許讀讀同步；而寫者是靠判斷dbreading=true|dbwriting=true來實現(xiàn)讀寫互斥和寫寫互斥的。讀寫等待是隨機(jī)的，運用的是math.random()函數(shù)程序代碼如下： class Database /*讀者寫者公用的資源Database類*/ private static final int NAP_TIME=5; private int readerCount; /*記錄當(dāng)前的讀者個數(shù)*/ priv

12、ate int writerCount; /*記錄當(dāng)前的寫者個數(shù)*/ private boolean dbReading; /*顯示是否有讀者在讀*/ private boolean dbWriting; /*顯示是否有寫者在寫*/ public Database() /*構(gòu)造函數(shù)*/ super(); readerCount=0; writerCount=0; dbReading=false; dbWriting=false; / TODO Auto-generated constructor stub public static void napping() int sleepTime=(

13、int)(NAP_TIME * Math.random(); try Thread.sleep(sleepTime*1000); catch(Exception e) e.printStackTrace(); public synchronized int startRead() while(writerCount>0) /*如果有寫者在寫，那么讀者進(jìn)行等待*/ try System.out.println("reader is waiting"); wait(); catch(Exception e) System.out.println(e.toString();

14、 e.printStackTrace(); +readerCount; if(readerCount=1) /*如果有讀者讀，則設(shè)置讀狀態(tài)為true*/ dbReading=true; return readerCount; public synchronized int endReading() -readerCount; if(readerCount=0) /*如果沒有有讀者讀，則設(shè)置讀狀態(tài)為false*/ dbReading=false; notifyAll(); /*釋放所有等待的線程*/ System.out.println("one reader is done reading. Count="+readerCount); return readerCount; pub