Linux线程

中写过生产者消费者模型，这次研究读者写者模型。

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读者写者模型遵循的规则
读者优先
写者优先
读者和写者公平竞争

读者写者模型遵循的规则

读者-写者模型同样遵循321规则：

写-写互斥，即不能有两个写者同时进行写操作。
读-写互斥，即不能同时有一个线程在读，而另一个线程在写。
读-读允许，读者和读者之间没有关系，即可以有一个或多个读者同时读。

读者优先

如果一个读者申请进行读操作时已有另一个读者正在进行读操作，则该读者可直接开始读操作。而此时写者正在被阻塞，只有所有的读者都读完，写者才会被唤醒。

//读者优先
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
using namespace std;

struct data 
{
	string str;
};

//临界区数据，读者写者分别读和写入shareData
data shareData;

//读优先保证当已经有读者在读时，后续的读者可以直接开始读操作
//当然，写者必须等没有读者读时才能写
sem_t mutex_readCount, mutex_write;
//读者的数量
int  readCount;

//读者
void* Reader(void* param) 
{
	printf("线程 %ud: 正在等待读\n",pthread_self());
	int readWait = rand()%5;	
	sleep(readWait);	

	//读者数量++
	sem_wait(&mutex_readCount);
	readCount++;
	if(readCount == 1)
	{
		//当读者数量>0时，写者不能写
		sem_wait(&mutex_write);	
	}
	sem_post(&mutex_readCount);
	
	//读者进行读操作
	printf("线程 %ud: 开始进行读\n", pthread_self());
	cout<<"读者读出数据："<<shareData.str<<endl;;
	printf("线程 %ud: 读取完毕\n", pthread_self());
	//读完以后，读者数量--
    
	sem_wait(&mutex_readCount);
	readCount--;
	if(readCount == 0)
	{
        //读者数量为0，写者可以写了
		sem_post(&mutex_write);
	}
	sem_post(&mutex_readCount);

	pthread_exit(0);
}

//写者
void* Writer(void* param) 
{
	printf("线程 %ud: 正在等待写\n",pthread_self());
	int writeWait = rand()%5;
	sleep(writeWait);

	string& writeStr= ((data*)param)->str;

	//多个线程写时，使用mutex_write进行互斥
	sem_wait(&mutex_write);
	printf("线程 %ud: 开始写入：%s\n",pthread_self(),writeStr.c_str());	
	
	shareData.str=writeStr;

	printf("线程 %ud: 写完\n",pthread_self());	
	sem_post(&mutex_write);
	
	pthread_exit(0);
}

int main() 
{
	srand((unsigned)time(NULL));
	pthread_t tid1;
	pthread_t tid2;
	pthread_t tid3;
	pthread_t tid4;
	pthread_t tid5;

	readCount=0;
	shareData.str="默认值";

    sem_init(&mutex_readCount, 0, 1);
    sem_init(&mutex_write, 0, 1);

    readCount = 0;
	//创建几个线程，分别为写者和读者，进行测试
	pthread_create(&tid2, NULL, Reader, NULL);

	data w1;
	w1.str="abc";
	pthread_create(&tid1, NULL, Writer, (void*)&w1);

	pthread_create(&tid4, NULL, Reader, NULL);
	pthread_create(&tid5, NULL, Reader, NULL);
	data w2;
	w2.str="1234";
	pthread_create(&tid3, NULL, Writer, (void*)&w2);

	sem_destroy(&mutex_readCount);
	sem_destroy(&mutex_write);

	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);
	pthread_join(tid3,NULL);
	pthread_join(tid4,NULL);
	pthread_join(tid5,NULL);

	return 0;
}

在这里插入图片描述

写者优先

如果一个读者申请进行读操作时已有另一写者在等待访问共享资源，则该读者必须等到没有写者处于等待状态后才能开始读操作。

换句话说，如果一个读者A申请进行读操作，并且写者想进行写操作，此时A会与写者竞争锁，如果写者竞争成功则写者先写，后续来的写者由于多线程原因会处于等待状态（等前一个写者写完），只有当等待状态的写者数量为0时，读者A才可以进行读。

如果读者A竞争成功则A先读，后续的读者B仍然要与写者竞争。

//写者优先
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
using namespace std;

struct data 
{
	string str;
};

//临界区数据，读者写者分别读和写入shareData
data shareData;

//写优先必须保证必须等写者都写完，读者才能读，所以用rwMutex来控制其关系
//用mutex_write信号量来控制写者和写者之间互斥关系，当有读者读时，写者不能写
//由于读者和读者之间没有关系，所以不需要锁
//mutex_writeCount和mutex_readCount分别对读者和写者数量进行原子操作
sem_t rwMutex, mutex_writeCount, mutex_readCount, mutex_write;
//写者的数量和读者的数量
int writeCount, readCount;
//mutex主要用处是避免写者同时与多个读者进行竞争，读者中信号量RWMutex比mutex先释放，则一旦有写者，写者可马上获得资源RWMutex
sem_t mutex;

//读者
void* Reader(void* param) 
{
	printf("线程 %ud: 正在等待读\n",pthread_self());
	int readWait = rand()%5;
	sleep(readWait);	
	//读者获取rwMutex信号量，
	//读优先必须保证必须等写者都写完，读者才能读，所以写者先获取rwMutex，当全部写完后才释放
	//如果写者没释放读者就来读，读者会被挂起

	sem_wait(&mutex);
	sem_wait(&rwMutex);
	//读者数量++
	sem_wait(&mutex_readCount);
	readCount++;
	if(readCount == 1)
	{
		//当读者数量>0时，写者不能写
		sem_wait(&mutex_write);	
	}
	sem_post(&mutex_readCount);
	//到这里，读者申请读成功，立刻释放rwMutex，这样后续的读者和写者就能竞争rwMutex了
	//并且由于mutex，写者可以避免和多个读者竞争rwMutex
	sem_post(&rwMutex);
	sem_post(&mutex);

	printf("线程 %ud: 开始进行读\n", pthread_self());
	//读者进行读操作
	cout<<"读者读出数据："<<shareData.str<<endl;;

	printf("线程 %ud: 读取完毕\n", pthread_self());
	//读完以后，读者数量--
	sem_wait(&mutex_readCount);
	readCount--;
	if(readCount == 0)
	{
		sem_post(&mutex_write);
	}
	sem_post(&mutex_readCount);

	pthread_exit(0);
}

//写者
void* Writer(void* param) 
{
	printf("线程 %ud: 正在等待写\n",pthread_self());
	int writeWait = rand()%5;
	sleep(writeWait);

	string& writeStr= ((data*)param)->str;	

	sem_wait(&mutex_writeCount);
	writeCount++;
	writeWait++;
	if(writeCount == 1)
	{
		//已经有一个写者，获取rwMutex，当写者数量为0时释放它，读者才能读
		sem_wait(&rwMutex);
	}
	sem_post(&mutex_writeCount);
	//多个线程写时，使用mutex_write进行互斥
	sem_wait(&mutex_write);
	printf("线程 %ud: 开始写入：%s\n",pthread_self(),writeStr.c_str());	
	shareData.str=writeStr;

	printf("线程 %ud: 写完\n",pthread_self());	
	sem_post(&mutex_write);

	sem_wait(&mutex_writeCount);
	writeCount--;
	if(writeCount == 0) 
	{
		sem_post(&rwMutex);
	}
	sem_post(&mutex_writeCount);
	
	pthread_exit(0);
}

int main() 
{
	srand((unsigned)time(NULL));

	pthread_t tid1;
	pthread_t tid2;
	pthread_t tid3;
	pthread_t tid4;
	pthread_t tid5;

	writeCount=readCount=0;
	shareData.str="默认值";

    sem_init(&rwMutex, 0, 1);
    sem_init(&mutex_writeCount, 0, 1);
    sem_init(&mutex_readCount, 0, 1);
    sem_init(&mutex_write, 0, 1);
    sem_init(&mutex, 0, 1);

	//创建几个线程，分别为写者和读者，进行测试
	pthread_create(&tid2, NULL, Reader, NULL);

	data w1;
	w1.str="abc";
	pthread_create(&tid1, NULL, Writer, (void*)&w1);

	pthread_create(&tid4, NULL, Reader, NULL);
	pthread_create(&tid5, NULL, Reader, NULL);
	data w2;
	w2.str="1234";
	pthread_create(&tid3, NULL, Writer, (void*)&w2);

	sem_destroy(&rwMutex);
	sem_destroy(&mutex_writeCount);
	sem_destroy(&mutex_readCount);
	sem_destroy(&mutex_write);
	sem_destroy(&mutex);


	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);
	pthread_join(tid3,NULL);
	pthread_join(tid4,NULL);
	pthread_join(tid5,NULL);

	return 0;
}

在这里插入图片描述

读者和写者公平竞争

上面两种方式都会导致读者或者写者饥饿，即读者一直读或者写者一直写的情况。下面解决这个问题，采取的策略是：

读者和写者优先级相同；
写者、读者互斥访问；
只能⼀个写者访问临界区；
可以有多个读者同时访问临街资源

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
using namespace std;

struct data 
{
	string str;
};

//临界区数据，读者写者分别读和写入shareData
data shareData;

//读优先保证当已经有读者在读时，后续的读者可以直接开始读操作
//当然，写者必须等没有读者读时才能写
sem_t mutex_readCount, mutex_write;
//flag实现公平竞争
sem_t flag;

//读者的数量
int  readCount;

//读者
void* Reader(void* param) 
{
	printf("线程 %ud: 正在等待读\n",pthread_self());
	int readWait = rand()%5;	
	sleep(readWait);	

    //在读之前，先和写者竞争flag
    sem_wait(&flag);
	//读者数量++
	sem_wait(&mutex_readCount);
	readCount++;
	if(readCount == 1)
	{
		//当读者数量>0时，写者不能写
		sem_wait(&mutex_write);	
	}
	sem_post(&mutex_readCount);
    sem_post(&flag);

	
	//读者进行读操作
	printf("线程 %ud: 开始进行读\n", pthread_self());
	cout<<"读者读出数据："<<shareData.str<<endl;;
	printf("线程 %ud: 读取完毕\n", pthread_self());
	//读完以后，读者数量--
    
	sem_wait(&mutex_readCount);
	readCount--;
	if(readCount == 0)
	{
        //读者数量为0，写者可以写了
		sem_post(&mutex_write);
	}
	sem_post(&mutex_readCount);

	pthread_exit(0);
}

//写者
void* Writer(void* param) 
{
	printf("线程 %ud: 正在等待写\n",pthread_self());
	int writeWait = rand()%5;
	sleep(writeWait);

	string& writeStr= ((data*)param)->str;

    //在写之前，先和读者竞争flag
    sem_wait(&flag);

	//多个线程写时，使用mutex_write进行互斥
	sem_wait(&mutex_write);
	printf("线程 %ud: 开始写入：%s\n",pthread_self(),writeStr.c_str());	
	
	shareData.str=writeStr;

	printf("线程 %ud: 写完\n",pthread_self());	
	sem_post(&mutex_write);
    sem_post(&flag);

	
	pthread_exit(0);
}

int main() 
{
	srand((unsigned)time(NULL));
	pthread_t tid1;
	pthread_t tid2;
	pthread_t tid3;
	pthread_t tid4;
	pthread_t tid5;

	readCount=0;
	shareData.str="默认值";

    sem_init(&mutex_readCount, 0, 1);
    sem_init(&mutex_write, 0, 1);
    sem_init(&flag, 0, 1);


    readCount = 0;
	//创建几个线程，分别为写者和读者，进行测试
	pthread_create(&tid2, NULL, Reader, NULL);

	data w1;
	w1.str="abc";
	pthread_create(&tid1, NULL, Writer, (void*)&w1);

	pthread_create(&tid4, NULL, Reader, NULL);
	pthread_create(&tid5, NULL, Reader, NULL);
	data w2;
	w2.str="1234";
	pthread_create(&tid3, NULL, Writer, (void*)&w2);

	sem_destroy(&mutex_readCount);
	sem_destroy(&mutex_write);

	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);
	pthread_join(tid3,NULL);
	pthread_join(tid4,NULL);
	pthread_join(tid5,NULL);

	return 0;
}

对⽐读者优先策略，可以发现，读者优先中只要后续有读者到达，读者就可以进⼊读者队列，⽽写者必须等待，直到没有读者到达。

没有读者到达会导致读者队列为空，即
readCount ==0
，此时写者才可以进⼊临界区执⾏写操作。⽽这⾥ flag 的作⽤就是阻⽌读者的这种特殊权限（特殊权限是只要读者到达，就可以进⼊读者队列）。

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_52670477/article/details/124953819

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读者优先

写者优先

读者和写者公平竞争

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