哲学家就餐问题及其一种java多线程实现
来源:互联网 发布:疯狂java博客 编辑:程序博客网 时间:2024/05/01 02:51
1 概述
哲学家就餐问题,是并行程序中的一个经典问题,其描述如下。
1. 圆桌上有五位哲学家,每两人中间有一个筷子。
2. 每个哲学家有两件事情要做:
(1) 思考;
(2) 吃饭。哲学家必须同时拿到两只筷子,才能吃饭。
3. 哲学家之间并不知道对方何时要吃饭,何时要思考,不能协商制定分时策略。
4. 设计一个拿筷子的策略,使得哲学家之间不会因为拿筷子而出现死锁或者活锁。
下图为一个哲学家和筷子的示意图,也是我编的java程序的界面。比较简陋,不过用来示意,还是看得明白的,呵呵。
其中,方块代表哲学家,黄线表示筷子。方块中的数字代表哲学家已经用餐的次数(若一个哲学家的就餐次数一直为0,则是饿死状态),初始化都为0。
2 几种经典解法
1. 资源分级的解法。
为资源(也就是筷子)分配一个偏序结构,所有资源都必须按顺序访问,也即拿起筷子必须按照一定的顺序,比如:先拿编号较小的筷子,再拿编号较大的筷子。放下筷子的顺序则无所谓。这种方法可以避免死锁。例如,若每个人都拿起身边的小号的筷子,则五号筷子就没有人拿。
这种方法的效率底下。因为对于实际的问题来说,一些计算机程序事先并不知道自己所要求的资源都有哪些。那么,假若它们拿了3、4、5号资源之后,若发现需要拿2号资源,则必须先释放3、4、5号资源,才能拿到2号资源,效率十分低下。
2. 仲裁者解决方案
引入一个服务员(仲裁者)。为了拿到筷子,哲学家必须向服务员发送请求。服务员每次只服务一个哲学家,直到他拿起两只筷子为止。服务员可以使用mutex实现,这种方法限制了并行性,也即限制了在筷子允许的情况下,多个哲学家同时吃饭的可能性。若一个哲学家在吃饭,而他的邻座发起了请求,则其他的哲学家必须等到邻座拿到了2只筷子之后才能吃饭,即便他们面前的筷子是空闲的。
3. Chandy/Misra方法
完全的分布式的方法,不需要仲裁者,但是需要哲学家之间进行一些交流,其描述如下。
(1) 首先,给哲学家编号。
(2) 若两个哲学家竞争同一个筷子的时候,把筷子给编号比较小的人。
(3) 筷子有两个状态,净的和脏的。初始状态下,所有的筷子都是脏的。
(4) 哲学家要吃饭时必须拿起两只筷子,当他缺乏某只筷子的时候,发起请求。
(5) 若拿着筷子的哲学家受到了请求,如果筷子是干净的,则他不放下筷子;若是脏的,则放下筷子,并且在放下之前,把筷子擦干净。
(6) 哲学家吃完的时候,筷子变脏,当他有邻座请求筷子的时候,擦干净筷子,然后给邻座。
这种方法可以解决大规模的并发问题,也能避免饿死问题。但是,不能完全避免死锁现象(当每个哲学家拿到一只干净筷子的时候,则陷入了死锁)。
3 java实现
我实现了Chandy/Misra方法。如同该算法描述的一样,不能完全避免死锁,但是可以有较大规模的并行。下面是一个运行时刻的截图。
图中表示,有两个哲学家吃了15次饭,3个哲学家吃了14次,现在有两个哲学家正在吃饭。
实现时,主要用了两个类:筷子类Stick和哲学家类Philo。
筷子类有三个成员变量。
Owner:筷子的所有者;
dirty:筷子干净与否;
number:筷子的编号。
筷子的主要方法如下:
public synchronized void setStatus(boolean status){ dirty = status; } public synchronized boolean getStatus(){ return this.dirty; } public synchronized void setOwner(int owner){ this.owner = owner; } public synchronized int getOwner(){ return owner; }哲学家类的成员变量如下。
Stick leftStick, rightStick; Philo leftPhilo, rightPhilo; int number, eatTimes; DinningPhi dinningExam; Thread t;分别代表哲学家左边的筷子,右边的筷子。
左边的邻座,右边的邻座。
哲学家的编号,已经吃了的次数。
dinningExam是Applet的类,为了调用repaint(),更新界面。
Thread则是线程的一个实例变量。
哲学家的方法如下。
public boolean answer(Stick used){ boolean retFlag = false; synchronized(this){ if(used.getStatus()){ if(used == leftStick) used.setOwner(leftPhilo.number); else if(used == rightStick) used.setOwner(rightPhilo.number); else{ System.out.println("Error status!"); retFlag = false; } used.setStatus(false); retFlag = true; } else retFlag = false; } if(retFlag) dinningExam.repaint(); return retFlag;}public void eating(){ try{ Thread.sleep(3000); }catch(InterruptedException ie){ System.out.println("Catch an Interrupted Exception!"); return; } leftStick.setStatus(true); rightStick.setStatus(true); eatTimes++; dinningExam.repaint(); return;} public void run(){ Random r = new Random(); int intR; while(true){ while(leftStick.getOwner() != number | rightStick.getOwner() != number){ intR = r.nextInt(); if(intR % 2 == 0 & leftStick.getOwner() != number) leftPhilo.answer(leftStick); else if(intR % 2 == 1 & rightStick.getOwner() != number) rightPhilo.answer(rightStick); } synchronized(this){ if(leftStick.getOwner() == number & rightStick.getOwner() == number){ eating(); } } try{ int sleepSec = r.nextInt(); if(sleepSec < 0) sleepSec = -sleepSec; Thread.sleep(sleepSec % 500); }catch(InterruptedException ie){ System.out.println("Catch an Interrupted Exception!"); } } }在写代码时,对原算法做了一定程度的简化,所实现的方案如下。
1. 筷子本身没有被申请使用的接口,任何一个哲学家,向他的邻座申请筷子(调用answer接口)。若筷子是脏的,则邻座把筷子擦干净给他。否则不给。邻座给筷子的过程要同步执行。
2. 哲学家吃饭的方法是eating,假设每人吃饭的时间是3秒(slee的时间)。
3. 哲学家的主函数(run)
(1) 每个哲学家申请所没有的筷子,为了避免能导致死锁的特定初态,使用了一个随机数Random。
(2) 哲学家两个筷子都有了之后,开始吃饭。这个步骤要同步。否则容易发生错误。
(3) 吃完饭之后,哲学家随机思考一段时间:Thread.sleep(sleepSec % 500);。
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