哲学家进餐问题

Posted 2022-10-05 codingcc1

参考：https://blog.csdn.net/fuziwang/article/details/79809994

1.问题描述：

哲学家进餐问题描述有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐，哲学家们共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五支筷子，平时哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐，该哲学家进餐完毕后，放下左右两只筷子又继续思考。

约束条件

(1)只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭。

(2)如果筷子已被别人拿走，则必须等别人吃完之后才能拿到筷子。

(3)任一哲学家在自己未拿到两只筷子吃完饭前，不会放下手中已经拿到的筷子。

2.求解方法

(1).信号量的设置

放在桌子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，为了实现对筷子的互斥访问，可以用一个信号量表示筷子，由这五个信号量构成信号量数组。

semaphore chopstick[5] = 1,1,1,1,1;
while(true)

    /*当哲学家饥饿时，总是先拿左边的筷子，再拿右边的筷子*/
    wait(chopstick[i]);
    wait(chopstick[(i+1)%5]);
 
    // 吃饭
 
    /*当哲学家进餐完成后，总是先放下左边的筷子，再放下右边的筷子*/
    signal(chopstick[i]);
    signal(chopstick[(i+1)%5]);

上述的代码可以保证不会有两个相邻的哲学家同时进餐，但却可能引起死锁的情况。

假如五位哲学家同时饥饿而都拿起的左边的筷子，就会使五个信号量chopstick都为0，当他们试图去拿右手边的筷子时，都将无筷子而陷入无限期的等待。

(2)避免死锁

策略一

原理：至多只允许四个哲学家同时进餐，以保证至少有一个哲学家能够进餐，最终总会释放出他所使用过的两支筷子，从而可使更多的哲学家进餐。定义信号量count，只允许4个哲学家同时进餐，这样就能保证至少有一个哲学家可以就餐。

semaphore chopstick[5]=1,1,1,1,1;
semaphore count=4; // 设置一个count，最多有四个哲学家可以进来
void philosopher(int i)

    while(true)
    
        think();
        wait(count); //请求进入房间进餐 当count为0时 不能允许哲学家再进来了
        wait(chopstick[i]); //请求左手边的筷子
        wait(chopstick[(i+1)%5]); //请求右手边的筷子
        eat();
        signal(chopstick[i]); //释放左手边的筷子
        signal(chopstick[(i+1)%5]); //释放右手边的筷子
        signal(count); //退出房间释放信号量
    

策略二

原理：仅当哲学家的左右两支筷子都可用时，才允许他拿起筷子进餐。可以利用AND 型信号量机制实现，也可以利用信号量的保护机制实现。利用信号量的保护机制实现的思想是通过记录型信号量mutex对取左侧和右侧筷子的操作进行保护，使之成为一个原子操作，这样可以防止死锁的出现。描述如下：

semaphore chopstick[5]=1,1,1,1,1;
void philosopher(int i)

    while(true)
    
        /* 这个过程中可能只能由一个人在吃饭 */
        think();
        wait(mutex); // 保护信号量
        wait(chopstick[(i+1)%5]); // 请求右手边的筷子
        wait(chopstick[i]); // 请求左手边的筷子
        signal(mutex); // 释放保护信号量
        eat();
        signal(chopstick[(i+1)%5]); // 释放右手边的筷子
        signal(chopstick[i]); // 释放左手边的筷子
    
 

策略三

原理：规定奇数号的哲学家先拿起他左边的筷子，然后再去拿他右边的筷子；而偶数号的哲学家则先拿起他右边的筷子，然后再去拿他左边的筷子。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。即五个哲学家都竞争奇数号筷子，获得后，再去竞争偶数号筷子，最后总会有一个哲学家能获得两支筷子而进餐。

semaphore chopstick[5]=1,1,1,1,1;
void philosopher(int i)

    while(true)
    
        think();
        if(i%2 == 0) //偶数哲学家，先右后左。
        
            wait (chopstick[(i + 1)%5]) ;
            wait (chopstick[i]) ;
            eat();
            signal (chopstick[(i + 1)%5]) ;
            signal (chopstick[i]) ;
        
        else //奇数哲学家，先左后右。
        
            wait (chopstick[i]) ;
            wait (chopstick[(i + 1)%5]) ;
            eat();
            signal (chopstick[i]) ;
            signal (chopstick[(i + 1)%5]) ;
        
    

3.代码实现

用java代码实现第二种方法：

public class ThreadTest
    public static void main(String[] args) 
        Fork fork = new Fork();
        new Philosopher("0", fork).start();
        new Philosopher("1", fork).start();
        new Philosopher("2", fork).start();
        new Philosopher("3", fork).start();
        new Philosopher("4", fork).start();
    


class Philosopher extends Thread
    private String name;
    private Fork fork;

    public Philosopher(String name, Fork fork) 
        super(name);
        this.name = name;
        this.fork = fork;
    

    @Override
    public void run() 
        while (true)
            thinking();
            fork.takeFork();
            eating();
            fork.putFork();
        

    

    public void eating()
        System.out.println("I am Eating:"+name);
        try 
            sleep(1000);//模拟吃饭，占用一段时间资源
         catch (InterruptedException e) 
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        
    


    public void thinking()
        System.out.println("I am Thinking:"+name);
        try 
            sleep(1000);//模拟思考
         catch (InterruptedException e) 
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        
    


    public Fork getFork() 
        return fork;
    

    public void setFork(Fork fork) 
        this.fork = fork;
    

class Fork
    /*5只筷子，初始为都未被用*/
    private boolean[] used=false,false,false,false,false,false;
    public synchronized void takeFork()
        String name = Thread.currentThread().getName();
        int i = Integer.parseInt(name);
        while(used[i]||used[(i+1)%5])
            try 
                wait();//如果左右手有一只正被使用，等待
             catch (InterruptedException e) 
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            
        
        used[i ]= true;
        used[(i+1)%5]=true;
    

    public synchronized void putFork()
        String name = Thread.currentThread().getName();
        int i = Integer.parseInt(name);
        used[i]= false;
        used[(i+1)%5]=false;
        notifyAll();//唤醒其他线程