哲学家进餐问题

问题描述

一张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子，桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿时，才试图拿起左、右两根筷子（二根一根地拿起）。如果筷子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。

1. 关系分析。系统中有5个哲学家进程，5位哲学家与左右邻居对其中间筷子的访问是互斥关系。

2. 整理思路。这个问题中只有互斥关系，但与之前遇到的问题不同的事，每个哲学家进程需要同时持有两个临界资源才能开始吃饭。如何避免临界资源分配不当造成的死锁现象，是哲学家问题的精髓。

3. 信号量设置。定义互斥信号量数组chopstick[5]={1,1,1,1,1}用于实现对5个筷子的互斥访问。并对哲学家按0~4编号，哲学家i左边的筷子编号为i，右边的筷子编号为(i+1)%5。

问题分析

朴素想法

semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
Pi() { // i号哲学家的进程
    while(1) {
        P(chopstick[i]); // 拿左
        P(chopstick[(i+1)%5]); // 拿右
        吃饭...
        V(chopstick[i]); // 放左
        V(chopstick[(i+1)%5]); // 放右
        思考...
    }
}

如果5个哲学家并发地拿起了自己左手边的筷子，每位哲学家循环等待右边的人放下筷子（阻塞）。发生“死锁”

如何解决死锁

方法一：可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的

方法二：要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子，另一个会直接阻塞。这就避免占有一支后再等待另一只的情况。

方法三：各哲学家拿筷子这件事必须互斥的执行。这就保证了即使一个哲学家在拿筷子拿到一半时被阻塞，也不会有别的哲学家会继续尝试拿筷子。这样的话，当前正在吃饭的哲学家放下筷子后，被阻塞的哲学家就可以获得等待的筷子了。该方法对应代码如下。

semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
semaphore mutex = 1; // 互斥地取筷子
Pi() { // i号哲学家的进程
    while(1) {
        P(mutex);
        P(chopstick[i]); // 拿左
        P(chopstick[(i+1)%5]); // 拿右
        V(mutex);
        吃饭...
        V(chopstick[i]); // 放左
        V(chopstick[(i+1)%5]); // 放右
        思考...
    }
}