哲学家就餐问题-预备知识及深入探讨

/*    created by Herbert on 16 Nov,2017       预备知识：        信号量：信号量是管理相应临界区的公有资源，它代表可用资源实体。            在操作系统中，信号量sem是一个整数。在sem大于等于零时代表            可供并发进程使用的资源实体的数目，但sem小于零时则代表则代表            等待使用临界区的进程的数目。            sem的初始值应该大于零，在建立一个信号量的时候，必须说明信号量            的代表的意义，以及建立相应的数据结构，以便指向那些等待使用该            临界区的进程。        P、V原语：            信号量的数值仅能由P、V的操作改变（P代表 pass，V代表 increment）            一次P原语操作使得信号量sem减一，一次V原语操作使得信号量sem加一        问题描述：设有五个哲学家，共享一张放有五把椅子的桌子，没人分得一把椅子。但是，桌子上    总共有五支筷子，在每人两边分开各放一支。哲学家们在肚子饥饿时才会试图分两次从两边拾起筷子    就餐。        条件如下：            （1）只有拿到两支筷子时，哲学家才能吃饭。            （2）如果筷子已经在他人手上，则该哲学家必须等到他人吃完之后才能拿到筷子。            （3）任一哲学家在自己未拿到两支筷子吃饭之前，绝不放下自己手中的筷子。        试：            （1）描述一个保证不会出现两个邻座同时要求吃饭的通信算法            （2）描述一个既没有两邻座同时吃饭，又没有人饿死（永远拿不到筷子）的算法。            （3）在什么情况下，五个哲学家全部吃不上饭。*//*    解答：    （1）        设信号量c[0]~c[4]，初始值均为1,分别表示I号筷子被拿（I=0,1,2,3,4）。        send(I):第I个哲学家要吃饭        begin:            P(c[i]);            P(c[I+1 mod 5]);            eat;            V(c[I+1 mod 5]);            V(c[I]);        end        该过程能保证两邻座不同时吃饭，但会出现五个哲学家一人拿一支筷子，谁也吃不上饭的死锁情形。    （2）        解决的思路如下：                让奇数号的哲学家先取右手边的筷子，让偶数号的哲学家先取左手边的筷子。这样，任何一个哲学家            拿到一支筷子后，就已经阻止了他邻座的一个哲学家吃饭的企图，除非某个哲学家一直吃下去，否则不会有人            饿死。            send(I):            begin                if I mod 2 == 0                then                 {                    P(c[I]);                    P(c[I+1] mod 5);                    eat;                    V(c[I]);                    V(c[I+1] mod 5);                }                else                {                    P(c[I+1 mod 5]);                    P(c[I]);                    eat;                    V(c[I+1 mod 5]);                    V(c[I]);                }            end    （3）        一人拿一支筷子时所有人都吃不上饭。*//*让奇数号的哲学家先取右手边的筷子，让偶数号的哲学家先取左手边的筷子。这样，任何一个哲学家拿到一支筷子后，就已经阻止了他邻座的一个哲学家吃饭的企图，除非某个哲学家一直吃下去，否则不会有人饿死。While(true){      if( i  %  2 == 0){          //偶数号哲学家              P(左边筷子对应的信号量)              P(右边筷子对应的信号量)              拿起两只筷子吃饭              V(右边筷子对应的信号量)              V(左边筷子对应的信号量)      }else{                  //奇数号哲学家              P(右边筷子对应的信号量)              P(左边筷子对应的信号量)              拿起两只筷子吃饭              V(左边筷子对应的信号量)              V(右边筷子对应的信号量)      }      吃饱后思考 }  *//*int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);//        sem_init用于对指定信号初始化，pshared为0，        表示信号在当前进程的多个线程之间共享，value表示初始化信号的值。 int sem_wait(sem_t *sem);        sem_wait可以用来阻塞当前线程，直到信号量的值大于0，解除阻塞。        解除阻塞后，sem的值-1，表示公共资源被执行减少了。        例如：如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，        信号量的值将-1。当初始化value=0后，使用sem_wai会阻塞这个线程，        这个线程函数就会等待其它线程函数调用int sem_post(sem_t *sem);        sem_post用于增加信号量的值+1，当有线程阻塞在这个信号量上时，        调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制由线程的调度策略决定。 */#include <iostream>#include <unistd.h>#include <pthread.h>#include <semaphore.h>#include <cstdio>#define N 5//哲学家人数#define LEFT i#define RIGHT (i+1)%Nusing namespace std;class Semaphore {  //定义Semaphore类private:      sem_t sem;  //定义信号量public:      Semaphore(int value = 1) {          sem_init(&sem,0,value); //初始化信号量,0表示信号量在线程间共享      }      void P() {          sem_wait(&sem); //等待信号，获取拥有权      }      void V() {          sem_post(&sem); //释放信号，释放拥有权      }  };  Semaphore mutex[N];//定义N个信号量pthread_t thread[N];//定义N个线程int id[N];void *solve(void* param);//解决算法void thread_create();//进程创建void thread_wait();//进程等待int main(){    for(int i = 0; i < N; i++) {          id[i] = i;  //为哲学家编号    }      thread_create();      thread_wait();     return 0;}void *solve(void* param){    int i = *((int *)param);    while(true){        if(i % 2 == 0){//如果是偶数，则先取左手边的筷子            mutex[LEFT].P();            mutex[RIGHT].P();            cout<<"哲学家"<<i<<"吃饭"<<endl;            mutex[RIGHT].V();            mutex[LEFT].V();        }        else{//如果是奇数，则先取右手边的筷子            mutex[RIGHT].P();              mutex[LEFT].P();              cout<<"哲学家"<<i<<"吃饭"<<endl;             mutex[LEFT].V();              mutex[RIGHT].V();          }        sleep(1);    }    pthread_exit(NULL);}void thread_create() { //进程创建      int tmp;      for(int i = 0; i < N; i++) {          tmp = pthread_create(&thread[i],NULL,solve,&id[i]);          if(tmp != 0) {              cout<<"线程"<<i<<"创建失败"<<endl;         }      }  } void thread_wait() {  //进程等待    for(int i = 0; i < N; i++) {          pthread_join(thread[i],NULL);          printf("线程%d结束\n",i);      }  }