操作系统中的进程同步：读者-写者问题

问题描述
读者-写者问题（Reader-Writer Problem）是进程同步中的一个经典案例，模拟多个进程并发访问共享数据（如文件、数据库）的场景。其中存在两类角色：

• 读者：只读取数据，不会修改数据，允许多个读者同时访问。
• 写者：会修改数据，必须独占访问，即写者与其他进程（读者或其他写者）互斥。

核心矛盾

1. 读者优先：只要有一个读者正在读，后续读者可以直接加入，可能导致写者饥饿。
2. 写者优先：一旦写者等待，新读者必须等待写者完成。
3. 公平策略：避免任何一方饥饿，按到达顺序调度。

下面以读者优先为例，逐步讲解解决方案。

解决步骤：读者优先方案

1. 分析需要保护的资源与同步关系

• 共享数据：需要被安全访问的目标（如一个数据文件）。
• 读者计数：记录当前正在读的读者数量，需被多个读者进程互斥修改。
• 写者互斥：保证写者独占访问。

2. 定义同步工具

• 互斥锁 rw_mutex：保护读者计数变量（read_count）的修改。
• 写者锁 write_mutex：保证写者独占共享数据，读者和写者共同竞争此锁。

3. 变量初始化

int read_count = 0;        // 当前活跃读者数
semaphore rw_mutex = 1;    // 保护read_count的互斥锁
semaphore write_mutex = 1; // 控制写者独占的锁

4. 读者进程的逻辑

void reader() {
    while (true) {
        // 步骤1：获取rw_mutex，安全修改read_count
        wait(rw_mutex);           // 进入临界区修改read_count
        read_count++;
        if (read_count == 1) {    // 如果是第一个读者，需阻止写者
            wait(write_mutex);    // 获取写者锁，阻塞写者
        }
        signal(rw_mutex);         // 释放对read_count的保护

        // 步骤2：执行读取操作（多个读者可同时进入）
        read_data();

        // 步骤3：减少读者计数，最后一个读者释放写者锁
        wait(rw_mutex);
        read_count--;
        if (read_count == 0) {
            signal(write_mutex);  // 允许写者访问
        }
        signal(rw_mutex);
    }
}

关键点解释：

• 第一个读者获取 write_mutex，后续读者直接进入，因为 write_mutex 已被持有（但未被写者独占）。
• 最后一个读者释放 write_mutex，唤醒可能等待的写者。

5. 写者进程的逻辑

void writer() {
    while (true) {
        wait(write_mutex);    // 申请独占访问权
        write_data();         // 执行写操作
        signal(write_mutex);  // 释放锁
    }
}

关键点：写者必须独占 write_mutex，因此会与第一个读者和其他写者互斥。

潜在问题与优化

• 读者优先的缺陷：若读者持续到达，写者可能永远无法获取 write_mutex（饥饿）。
• 写者优先方案：增加一个队列锁，让写者等待时阻塞新读者。
• 公平策略：使用信号量队列（如管程或条件变量）严格按到达顺序调度。

总结
读者-写者问题展示了如何通过信号量协调不同性质的访问需求。核心在于通过计数器管理共享资源的“共享模式”与“独占模式”切换。实际应用中需根据场景选择优先级策略，或使用操作系统提供的高级同步原语（如读写锁 pthread_rwlock_t）直接实现。