读者写者问题操作系统

### 读者写者问题的操作系统实现与解决方案

#### 1. 读者写者问题概述

读者写者问题是操作系统中经典的同步问题之一，涉及多个进程访问共享资源的情况。该问题分为两种角色：读者和写者。读者只读取数据而不修改；写者则可以读取并修改数据。为了确保数据的一致性和完整性，在任何时刻只能有一个写者工作，或者有任意数量的读者同时读取。

#### 2. 经典的读者优先策略

在这种情况下，当存在至少一名活跃读者时，不允许新的写者进入临界区直到所有当前正在阅读的读者完成其操作[^1]。这种做法有利于提高吞吐率，因为它允许尽可能多的并发读取请求被执行。然而，这也可能导致饥饿现象的发生，即等待中的写者可能永远无法获得执行机会。

// 定义两个信号量用于控制访问权限
sem_t mutex;    // 控制对read_count变量本身的互斥访问
sem_t db;       // 数据库锁定状态 (0表示被占用, >0 表示可读)

int read_count = 0;

void reader() {
    sem_wait(&mutex);
    ++read_count;
    if(read_count == 1){
        sem_wait(&db);     // 如果是第一个读者，则阻止写入
    }
    sem_post(&mutex);

    /* 进行读取 */

    sem_wait(&mutex);
    --read_count;
    if(read_count == 0){
        sem_post(&db);      // 当最后一个读者离开后释放写保护
    }
    sem_post(&mutex);
}

void writer(){
    sem_wait(&db);          // 请求独占访问权
    /* 执行写入 */
    sem_post(&db);         // 写完成后解锁
}

#### 3. 写者优先策略

与此相反的是写者优先模式，它给予写者更高的优先级来获取资源使用权。这意味着一旦有任何写者准备就绪，即使已经有其他读者正在进行读取活动也会暂停这些读者的工作直至写者的任务结束。虽然这种方法能有效防止写者饿死的问题，但它可能会降低整体性能，特别是对于那些频繁发生短时间读取的应用场景而言。

#### 4. 相对公平的混合策略

考虑到上述两种极端情况下的缺点，提出了一个折衷方案——既不完全偏向于某一方也不忽视另一方的需求。具体来说就是引入额外的时间片概念或轮询机制让两者轮流得到服务的机会。例如可以在一定时间内限制连续写作次数，之后强制切换到仅限读取的状态一段时间再恢复正常的竞争逻辑[^3]。

#define MAX_CONSECUTIVE_WRITES 5 // 设置最大连续写次数上限

static int consecutive_writes = 0;

void fair_writer(){
    while(consecutive_writes >= MAX_CONSECUTIVE_WRITES){
        sleep(1);           // 达到阈值时休眠一秒给读者机会
    }

    sem_wait(&db);
    
    /* 执行写入 */
    
    sem_post(&db);
    consecutive_writes++;
}

void fair_reader(){
    sem_wait(&mutex);
    ++read_count;
    if(read_count == 1){
        sem_wait(&db);
    }
    sem_post(&mutex);

    /* 进行读取 */

    sem_wait(&mutex);
    --read_count;
    if(read_count == 0){
        sem_post(&db);
        consecutive_writes = 0;   // 每次全部读者退出重置计数器
    }
    sem_post(&mutex);
}