Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. Проф. М. А. Бонч-Бруевича» (СПбГУТ)

Факультет Информационных технологий и программной инженерии

Кафедра Программной инженерии

Лабораторная работа №3

По дисциплине: Операционные системы и сети

Выполнил студент:

Яковлев М. А. ИКПИ-32

Принял работу:

Дагаев А. В.

Дата выполнения:

«05» ноября 2025 г.

Санкт-Петербург

2025 г.

Постановка задачи

Необходимо разработать многопоточный алгоритм, моделирующий работу алгоритма «Читатели-Писатели». Программа должна обеспечивать синхронизацию доступа к общему ресурсу (хранилищу данных) между несколькими потоками-читателями и потоками-писателями. Используются семафоры.

Семафор — это специальная переменная или объект в программировании, используемый для контроля доступа к общим (разделяемым) ресурсам, таким как память, файлы или устройства. Он особенно важен при многопоточном и параллельном программировании. Семафор работает как контролёр, разрешая или блокируя доступ к ресурсу, чтобы избежать конфликтов и ошибок при одновременном доступе нескольких потоков.

Перечень функций

В коде используются следующие функции:

1. TimeStats::addDuration — добавляет значение времени выполнения операции в вектор для статистики.

2. Класс FastSemaphore:

   • FastSemaphore(long initial) — конструктор, инициализирует счётчик и создаёт событие Windows.

   • ~FastSemaphore() — деструктор, закрывает событие.

   • wait() — пытается атомарно уменьшить счётчик, при его отсутствии ждёт сигнала события.

   • signal() — увеличивает счётчик и пробуждает поток через событие, если требуется.

3. Функции-потоки с FastSemaphore:

   • writerFastFunc — цикл операций записи с ожиданием и сигналом семафора, измеряет время выполнения.

   • readerFastFunc — цикл операций чтения с аналогичным контролем и замером времени.

4. Функции-потоки с std::counting_semaphore:

   • writerStdFunc — операция записи с использованием встроенного семафора.

   • readerStdFunc — операция чтения с использованием встроенного семафора.

5. main — точка входа, где

   • Инициализируются параметры тестов, создаются потоки для обоих видов семафора.

   • Запускаются и дожидаются завершения потоков.

   • Собранные параметры времени сохраняются в CSV-файлы для дальнейшего анализа.

Вся логика построена вокруг синхронизации потоков-писателей и читателей с использованием двух видов семафоров, а также измерения и записи времени для сравнения производительности.

Описание алгоритма

Программа моделирует классическую задачу синхронизации «Читатели-Писатели» с приоритетом писателей. Алгоритм работает следующим образом:

1. Алгоритм работы данного кода построен на синхронизации потоков с помощью критических секций Windows для безопасного доступа к общему ресурсу — целочисленному хранилищу. Изначально в главной функции инициализируются три критические секции: для защиты операций записи в хранилище, для защиты флага блокировки чтения и для безопасного логирования. Создаются два типа потоков — писатели и читатели, а также отдельный мониторящий поток, который наблюдает за завершением работы всех потоков.

2. Поток-писатель при каждой итерации пытается войти в критическую секцию записи, сигнализируя о намерении выполнить запись. После захвата критической секции он помечает, что чтение в данный момент запрещено, и ждет, пока все активные читатели завершат свои операции, отслеживая счётчик активных читателей. Затем он выполняет имитацию записи, обновляя общее хранилище, и освобождает блокировки, позволяя другим потокам работать с ресурсом.

3. Поток-читатель в начале каждой операции ждет, пока не будет снят запрет на чтение, установленный писателями, проверяя специальный флаг внутри критической секции. После того как доступ к чтению разрешен, он увеличивает счетчик активных читателей, читает значение из хранилища и затем уменьшает счетчик. Все операции тесно вынуждены выполнять синхронизированно, чтобы избежать одновременного изменения данных.

4. Мониторный поток периодически проверяет сколько писателей и читателей выполнили все свои операции и выводит информацию о текущем прогрессе. Как только все потоки завершают работу, монитор сигнализирует о завершении программы.

График

График, построенный на основе полученной статистики.

Рисунок 1. График временных затрат

На графике (рис. 1) представлены временные затраты на работу двух видов семафоров: пользовательского и встроенного (стандартного). Видно, что пользовательский семафор имеет немного меньшую задержку в сравнении со встроенным. Однако эффективность пользовательского семафора начинает превосходить стандартный только при больших объёмах данных.

Демонстрационная таблица 1.

Таблица 2. Описание первых нескольких шагов

Время	Роль	Сообщение
Шаг 1	Писатель 0	обратился к хранилищу...
Шаг 2	Писатель 0	получил доступ к хранилищу.
Шаг 3	Писатель 0	записал в хранилище сообщение 18467 и закончил работу.
Шаг 4	Читатель 0	обратился к хранилищу...
Шаг 5	Читатель 0	получил доступ к хранилищу.
Шаг 6	Писатель 1	обратился к хранилищу...
Шаг 7	Писатель 1	ожидает, пока активные читатели закончат работу с хранилищем.
Шаг 8	Читатель 0	прочитал из хранилища 18467 и закончил работу.
Шаг 9	Писатель 1	получил доступ к хранилищу.
Шаг 9	Писатель 1	записал в хранилище сообщение 18468 и закончил работу.

Рисунок 1. Схема работы первых шагов

В рамках последовательности временных отметок зафиксированы взаимодействия между участниками системы хранения данных. Сначала Писатель 0 обращается к хранилищу и получает доступ, после чего записывает в хранилище сообщение с идентификатором 18467 и завершает работу. Затем Читатель 0 обращается к хранилищу и получает доступ, последующим шагом Писатель 1 обращается к хранилищу и ожидает, пока активные читатели закончат работу. В более поздний момент Читатель 0 читает из хранилища сообщение 18467 и завершает работу. После этого Писатель 1 снова получает доступ к хранилищу, записывает сообщение 18468 и завершает операцию. Общая картина демонстрирует последовательность чтения и записи с синхронизацией между читателями и писателями, включая ожидание завершения текущих операций перед продолжением записи новыми сообщениями.

Демонстрационная таблица 2.

Таблица 2. Описание шагов

Время	Роль	Действие	Сообщение
Шаг 1	Писатель 0	Обратился	Обратился к хранилищу...
Шаг 2	Читатель 0	Обратился	Обратился к хранилищу...
Шаг 3	Писатель 0	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 4	Писатель 1	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 5	Читатель 0	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 6	Читатель 1	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 7	Писатель 0	Записал	Записал в хранилище сообщение 18467 и освободил ресурс.
Шаг 8	Читатель 0	Прочитал	Прочитал из хранилища 18467 и освободил ресурс.
Шаг 9	Писатель 1	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 10	Писатель 2	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 11	Читатель 1	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 12	Писатель 1	Записал	Записал в хранилище сообщение 18468 и освободил ресурс.
Шаг 13	Читатель 1	Прочитал	Прочитал из хранилища 18468 и освободил ресурс.
Шаг 14	Читатель 2	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 15	Писатель 3	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 16	Читатель 2	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 17	Писатель 2	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 18	Читатель 2	Прочитал	Прочитал из хранилища 18468 и освободил ресурс.
Шаг 19	Писатель 2	Записал	Записал в хранилище сообщение 18469 и освободил ресурс.
Шаг 20	Писатель 3	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 21	Читатель 3	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 22	Писатель 3	Записал	Записал в хранилище сообщение 18470 и освободил ресурс.
Шаг 23	Читатель 3	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 24	Читатель 3	Прочитал	Прочитал из хранилища 18470 и освободил ресурс.
Шаг 25	Писатель 4	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 26	Читатель 4	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 27	Писатель 4	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 28	Читатель 4	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 29	Писатель 4	Записал	Записал в хранилище сообщение 18471 и освободил ресурс.
Шаг 30	Читатель 4	Прочитал	Прочитал из хранилища 18471 и освободил ресурс.
Шаг 31	Писатель 5	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 32	Читатель 5	Обратился	Обратился к хранилищу и ожидает доступа.
Шаг 33	Писатель 5	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 34	Читатель 5	Получил	Получил доступ к хранилищу.
Шаг 35	Писатель 5	Записал	Записал в хранилище сообщение 18472 и освободил ресурс.
Шаг 36	Читатель 5	Прочитал	Прочитал из хранилища 18472 и освободил ресурс.

Шаг 1-2: Писатель 0 и читатель 0 одновременно обратились к общему хранилищу, пытаясь получить к нему доступ.

Шаг 3: Писатель 0 получил доступ и стал работать, остальные, включая писателя 1 и читателя 1, продолжают ожидать.

Шаг 4-6: Писатель 1 и читатель 1 обратились к хранилищу и вынуждены ожидать освобождения, так как ресурс занят.

Шаг 7-8: Писатель 0 завершил запись, а читатель 0 прочитал данные, освобождая ресурс.

Шаг 9-13: Писатель 1 получает доступ и выполняет запись, читатель 1 затем получает доступ и читает, оба завершают работу.

Шаг 14-20: Вновь другие потоки (писатель 2, читатель 2, писатель 3) обращаются к хранилищу, часть из них ожидает освобождения ресурса, другие получают доступ, выполняют операции записи или чтения и освобождают доступ.

Шаг 21-36: Аналогично, оставшиеся писатели и читатели (4 и 5) поочередно обращаются, ждут, получают доступ, выполняют операции и завершают работу.

В каждом шаге происходит динамическое чередование состояний "обратился", "ожидает доступа", "получил доступ", "выполнил операцию (записал/прочитал)" и освобождения ресурса для других потоков.