经典进程的同步问题之——哲学家进餐

Posted 2020-12-29 iamjiangxiaokun

哲学家进餐问题描述

由Dijkstra提出并解决哲学家进餐问题（The Dinning Philosophers Problem）是经典的同步问题。该问题是描述有五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在桌子上有五个碗和五只筷子，他们的生活方式是交替的进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子，只有他拿到两只筷子时才能进餐，进餐完毕继续进行思考。

1 利用记录型信号量解决哲学家进餐问题

经过分析可知，圆桌上的筷子是临界资源，在一段时间内只允许一位哲学家使用，为了实现筷子的互斥使用，可以使用一个信号量表示一只筷子，由这五个信号量构成信号量数组。

描述如下：

 1 Var chopstick:array[0,...,4] of semapthore;
 2 所有信号量均被初始化为1，第i位哲学家的活动可描述为：
 3 repeat
 4     wait(chopstick[i]);          // 申请一个临界资源使用权（获取左边的筷子）
 5     wait(chopstick[(i+1) mod 5]);// 在申请一个临界资源使用权（获取右边的筷子）
 6     ...
 7     eat                          // 资源申请成功后进餐操作
 8     ...
 9     signal(chopstick[i]);          // 释放一个临界资源（放回走手边筷子）
10     signal(chopstick[(i+1) mod 5]) // 再释放一个临界资源（放回右手边筷子）
11     ...
12     think
13 until false

但这种方式会引起死锁，例如：假如五位哲学家同时饥饿，同时拿起左边的筷子，此时五个信号量chopstick均为0；当他们试图拿起右边的筷子时都将因为没有筷子而进入无限等待。对于这样的死锁问题，可采用以下几种解决办法。

(1) 至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够 进餐，并在用毕时能释放出他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。

(2) 仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。

(3) 规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子，而偶数号哲学家则 相反。按此规定，将是 1、2 号哲学家竞争 1 号筷子；3、4 号哲学家竞争 3 号筷子。即五位 哲学家都先竞争奇数号筷子，获得后，再去竞争偶数号筷子，最后总会有一位哲学家能获 得两只筷子而进餐。

2．利用 AND 信号量机制解决哲学家进餐问题

在哲学家进餐问题中，要求每个哲学家先获得两个临界资源(筷子)后方能进餐，这在本 质上就是前面所介绍的 AND 同步问题，故用 AND 信号量机制可获得最简洁的解法。

描述如下

1 Var chopstick array of semapthore:=(1,1,1,1,1);
2     processi
3         repeat
4             think;
5             Sswait(chopstick[(i+1) mod 5],chopstick[i]);
6             eat
7             Ssignal(chopstick[(i+1) mod 5],chopstick[i]);
8         until false;