經典作業系統問題：讀者-寫者問題（讀者優先）的信號量實現

問題描述

多個讀者進程與寫者進程共享一塊資源（如黑板）。約束條件：

• 多個讀者可同時讀取；
• 寫者必須獨佔訪問；
• 讀者與寫者不能同時訪問；
• 讀者優先：只有當無讀者時，寫者才能進入。

同步變量定義

進程邏輯實現

讀者進程

while (true) {
    P(reader_mutex);          // 進入計數器臨界區
    r_count++;
    if (r_count == 1)         // 第一個讀者
        P(mutex);             // 佔用資源，阻止寫者
    V(reader_mutex);          // 釋放計數器鎖

    read();                   // 執行讀操作（並發安全）

    P(reader_mutex);          // 離開計數器臨界區
    r_count--;
    if (r_count == 0)         // 最後一個讀者離開
        V(mutex);             // 釋放資源，喚醒寫者
    V(reader_mutex);
}

寫者進程

while (true) {
    P(mutex);                 // 直接申請資源互斥鎖
    write();                  // 獨佔寫入
    V(mutex);                 // 釋放資源
}

關鍵點解析

1. 雙重互斥：reader_mutex 保護計數器，mutex 保護資源本體。
2. 首尾責任制：第一個讀者獲取資源鎖，最後一個讀者釋放資源鎖，中間讀者無需操作 mutex，實現讀者並發。
3. 飢餓風險：持續有讀者到達會導致寫者長期等待（寫者飢餓），實際系統常引入「寫者優先」或公平隊列改進。

擴展思考

若改為寫者優先，需引入 w_count（等待寫者數）與 write_mutex，讀者進入前檢查是否有寫者等待。更通用的解法是使用讀寫鎖，現代線程庫均已內建高效實現。