Problema dos Leitores e Escritores utilizando Mutex e Semáforos

O problema dos Leitores e Escritores trata a situação em que várias threads devem acessar a mesma memória compartilhada. Alguns para ler e outros para escrever.
Contudo, existem algumas restrições para realizarmos a leitura e escrita:
- Enquanto um processo estiver escrevendo, nenhum outro processo pode acessar este espaço de memória.
- Enquanto um processo estiver lendo, somente processos querendo ler podem acessar este espaço de memória.

Este problema pode ser abordado de várias formas. Em uma das abordagens, damos preferência ao escritor, ou seja, o escritor, uma vez desejando acesso à memória compartilhada, a obtém mesmo que processos leitores estivessem esperando antes.
Em outra abordagem, damos preferência aos leitores, ou seja, o escritor só obtem acesso à memória compartilhada quando um todos os escritores liberam o acesso. Esta situação é perigosa e pode levar a um starvation do escritor no caso em que temos vários processos leitores.

Em nossa solução, daremos preferência aos leitores.
Para aprender mais sobre este problema, visite: http://en.wikipedia.org/wiki/Readers-writers_problem

Além disso, nossa solução utiliza uma geração de valores randômicos para simular os tempos que o escritor levará para pensar no que irá escrever e o tempo que demora escrevendo na base de dados. E o consumidor terá valores randômicos para simular o tempo em que fica no banco de dados e o tempo em que fica processando as informações adquiridas.

Utilizaremos as instruções pthread_mutex_lock e pthread_mutex_unlock para controlar o acesso às regiões críticas. Documentação do uso pode ser encontrada em: http://www.opengroup.org/onlinepubs/007908775/xsh/pthread_mutex_unlock.html
Para criar estes semáforos, vamos utilizar os seguintes comandos pthread_t e pthrad_mutex_init:
http://opengroup.org/onlinepubs/007908775/xsh/pthread_mutex_init.html


Além disso, devemos criar as threads. Isto pode ser feito utilizando os seguintes comandos:
declaração: pthread_t
criação: pthread_create() - http://www.opengroup.org/onlinepubs/007908799/xsh/pthread_create.html

Aqui, é interessante notar que ao criarmos a thread, ela inicia sua execução. Contudo, a thread principal não pára sua execução! Assim, é necessário utilizarmos o comando pthread_join para evitar que a thread principal termine o programa, e com isso, mate todas as outras threads.
pthread_join() - http://www.opengroup.org/onlinepubs/007908799/xsh/pthread_join.html



Para compilar o programa e gerar o executável, utilizaremos:
gcc [[nome_programa.c]] -o [[nome_programa]] -lpthread
Para executar o programa criado, utilizaremos:
./[[nome_programa]]

Utilizamos o seguinte código:

//Bibliotecas utilizadas
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#include <semaphore.h>

#define READERS    20       //quantidade de leitores
#define WRITERS    3        //quantidade de escritores



pthread_mutex_t db;         //exclusao mutua para regioes criticas... controla o acesso ao banco de dados
pthread_mutex_t mutex;      //exclusao mutua para regioes cri­ticas... controla o acesso a variável rc
int   rc;                   //quantidade de leitores lendo ou querendo ler a base de dados


// prototipos-------------------------------------

void read_data_base(void);
void use_data_read(void);
void think_up_data(void);

void write_data_base(void);


void reader() {
while (1) {  /* repete eternamente */

  pthread_mutex_lock(&mutex);           //down(&mutex); garante acesso exclusivo a variavelrc
      rc=rc+1;                              //um novo leitor

      if(rc==1)  pthread_mutex_lock(&db);   //caso este seja o primeiro leitor...
      pthread_mutex_unlock(&mutex);         //up(&mutex); libera o acesso a variavel rc

      read_data_base();                     //le a base de dados
      pthread_mutex_lock(&mutex);           //down(&mutex); garante acesso exclusivo a variavel rc
      rc=rc-1;                              //um leitor a menos...

      if(rc==0) pthread_mutex_unlock(&db);  //caso este seja o ultimo leitor...
      pthread_mutex_unlock(&mutex);         //up(&mutex); libera o acesso a variavel rc

      use_data_read();                      //utiliza as informacoes da base de dados para algum trabalho...
    }
}

void writer() {

while(1)            //repete eternamente

    {
    think_up_data();            //pensa em informações para adicionar a base de dados
        pthread_mutex_lock(&db);    //down(&db); garante acesso exclusivo a base de dados
        write_data_base();          //escreve novas informacoes na base de dados

        pthread_mutex_unlock(&db);  //up(&db); libera o acesso a base de dados
    }
}

void read_data_base()
{

/*quanto tempo o leitor permanecerá lendo a base de dados*/
int readingtime;
readingtime = rand() % 3;

printf("Usuário lendo banco de dados. Total de %d leitores lendo agora.\n",rc);
sleep(readingtime);
}
void use_data_read()
{

/*quanto tempo o leitor permanecerá utilizando os dados lidos*/
int usetime;
usetime = rand() % 20;

printf("Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados\n");
sleep(usetime);
}
void think_up_data()
{

/*quanto tempo o escritor gasta pensando no que irá escrever*/
int thinktime;
thinktime = rand() % 10;

printf("Escritor pensando no que irá escrever\n");
sleep(thinktime);
}
void write_data_base()
{

/*quanto tempo o escritor gasta escrevendo na base de dados*/
int writetime;
writetime = rand() % 6;

printf("Escritor escrevendo no banco de dados\n");
sleep(writetime);
}


/////MAIN FUNCTION///////////////////////////////
main()
{

pthread_t writerthreads[WRITERS], readerthreads[READERS]; 
int i;

//inicializacao dos semaforos...
    pthread_mutex_init(&db, NULL);
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);


//criação das threads independentes de escritores...
    for(i=0;i<WRITERS;i++){
    pthread_create( &writerthreads[i], NULL,(void *) writer, NULL);
}

//criação das threads independentes de leitores...
    for(i=0;i<READERS;i++){
    pthread_create( &readerthreads[i], NULL,(void *) reader, NULL);
}


for(i=0;i<WRITERS;i++){
    pthread_join(writerthreads[i], NULL);
}

for(i=0;i<READERS;i++){
    pthread_join(readerthreads[i], NULL);
}


exit(0);
}

Assim, obtivemos o seguinte resultado:
andersonaiziro@Aaiziro:~/Documents$ ./reader_writer
Escritor pensando no que irá escrever
Escritor pensando no que irá escrever
Escritor pensando no que irá escrever
Usuário lendo banco de dados. Total de 1 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 2 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 3 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 4 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 5 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 5 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 6 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 7 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 8 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 9 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 10 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 11 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 12 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 12 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 13 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 14 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 15 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 16 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 16 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 17 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Escritor escrevendo no banco de dados
Escritor pensando no que irá escrever
Usuário lendo banco de dados. Total de 1 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 2 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 3 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 4 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 5 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 5 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 6 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 7 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 5 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 6 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 7 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 3 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 4 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 4 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 3 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Escritor escrevendo no banco de dados
Escritor pensando no que irá escrever
Escritor escrevendo no banco de dados
Escritor pensando no que irá escrever
Escritor escrevendo no banco de dados
Escritor pensando no que irá escrever
Usuário lendo banco de dados. Total de 1 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 1 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 2 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 3 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 3 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 4 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 5 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 6 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 6 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 7 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 7 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 8 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 9 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados
Usuário lendo banco de dados. Total de 9 leitores lendo agora.
Usuário lendo banco de dados. Total de 10 leitores lendo agora.
Usuário utilizando conhecimento adquirido no banco de dados