经典同步问题（二）---哲学家就餐问题

1. 问题描述：

一张圆桌上坐着 5 名哲学家，桌子上每两个哲学家之间摆了一根叉子，桌子的中间是一碗米饭，如图所示：

哲学家们倾注毕生精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿的时候，才试图拿起左、右两根叉子（一根一根拿起）。如果叉子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿到了两根叉子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下叉子继续思考。

2. 问题分析：

（1）5名哲学家与左右邻居对其中间叉子的访问是互斥关系。同时当哲学家要使用叉子时需要等待两个邻居都放下叉子才行，他们又是同步关系
（2）解决办法：这里要开5个线程，每个哲学家对应一个线程。最开始想到的办法是：每个哲学家先拿起左叉子，再拿起右叉子。并定义互斥信号量数组chopstick[5] = {1,1,1,1,1}用于对 5 根叉子的互斥访问。实例代码如下：

semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1}  // 信号量数组,信号量初始化为1互斥访问每根叉子Pi()                                  // i号哲学家的线程{    do    {        P(chopstick[i]);              // 取左        P(chopstick[(i+1)%5]);        // 取右边叉子        eat;                          // 进餐        V(chopstick[i]);              // 放回左边叉子        V(chopstick[(i+1)%5]);        // 放回右边叉子        think;                        // 思考    }while(1);}

但是这样会存在问题：如果每个哲学家同时拿起左叉子，都在等待右叉子时造成死锁。
为了防止死锁的发生，可以对哲学家线程施加一些限制条件，比如：
（1）同时只允许一位哲学家就餐
（2）对哲学家顺序编号，要求奇数号哲学家先抓左边的叉子，然后再抓他右边的叉子，而偶数号哲学家刚好相反。
（3）仅当一个哲学家左右两边的叉子都可用时才允许他抓起叉子；

3. 使用信号量解决

以下代码都是伪代码
3.1 方法1

#define N 5semaphore fork[5]={1,1,1,1,1};semaphore mutex = 1;void philosopher(int i){   while(TRUE){      think();      P(mutex)      P(fork[i]);      P(fork[(i+1)%N);      V(mutex)          eat();      V(fork[i]);      V(fork[(i+1)%N];    }

这里把就餐（而不是叉子）看做是互斥访问的临界资源，因此会造成（叉子）资源的浪费。从理论上说，如果有五把叉子，应允许两个不相邻的哲学家同时进餐。
3.2 方法2

#define N 5semaphore fork[5]={1,1,1,1,1};void philosopher(int i){   while(TRUE){      think();      if(i%2==1){         P(fork[i]);         P(fork[(i+1)%N);      }else{         P(fork[(i+1)%N]);         P(fork[i]);      }      eat();      V(fork[i]);      V(fork[(i+1)%N];    }

因为V操作不会阻塞，所以不需要分两种情况。
3.3 方法3
哲学家要么不拿，要么就拿两把叉子。那么哲学家就有三种状态：思考状态不用叉子、饥饿状态在等待左右叉子；吃饭状态正在使用叉子。

#define N 5#define LEFT (i)#define RIGHT (i+1)/N#define EATTING 2#define HUNGRY  1#define THINKING 0int state[N];semaphore mutex;semaphore s[N];void philosopher(i){    think(i);    take_forks(i);    //吃饭前先等待两只叉子    eatting();    put_forks(i);     //放下叉子，查看左右邻居是否两只叉子都空闲，如果空闲提醒邻居拿起叉子}void take_forks(i){   P(mutex)   state[i] = HUNGRY;               //代表当前哲学家正在等待叉子   test_take_left_right_forks(i);   //尝试是否能拿到叉子   V(mutex);   P(s[i]);                        //如果拿不到叉子就阻塞}void test_take_left_right_forks(i){   if(state[i] == HUNGRY && state[LEFT] != EATTING && state[RIGTH] != EATTING)   {       state[i] = EATTING;    //用EATTING代表当前哲学家能拿到两只叉子       V(s[i]);               //如果能够拿到两只叉子，唤醒当前线程   }}void putdown(i){  P(mutex)  state[i] = THINKING;  //代表当前不需要叉子  test_take_left_right_forks(LEFT);  test_take_left_right_forks(RIGHT);  V(mutex);}void thinking(i){   P(mutex);   state[i] = THINKING;   V(mutex);}

因为每个线程都要访问哲学家状态，这里把哲学家状态看成临界资源。并使用状态标记每个哲学家是否能拿到两只叉子。

3. 使用管程解决

方法3

#define N 5#define LEFT (i)#define RIGHT (i+1)/N#define EATTING 2#define HUNGRY  1#define THINKING 0int state[N];lock mutex;Condition c[N];void philosopher(i){    think(i);    take_forks(i);    eatting();    put_forks(i);}void take_forks(i){   lock.acqure();   state[i] = HUNGRY;    //代表当前哲学家正在等待筷子，处于阻塞状态   test_take_left_right_forks(i);   //尝试是否能拿到叉子   while(state[i] != EATTING)       c[i].wait(&lock);   lock.release();}void test_take_left_right_forks(i){   if(state[i] == HUNGRY && state[LEFT] != EATTING && state[RIGTH] != EATTING)   {       state[i] = EATTING;    //用EATTING代表当前哲学家能拿且会用叉子        condition[i].signal();         }}void putdown(i){  lock.acquier();  state[i] = THINKING;  //代表当前不需要筷子  test_take_left_right_forks(LEFT);  test_take_left_right_forks(RIGHT);  lock.release();}void thinking(i){   lock.acquier();   state[i] = THINKING;   lock.release();}