哲学家进餐问题

2024-03-25 15:34:28

有五个哲学家围在一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和物质筷子，他们的生活方式是交替的进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用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。进餐完毕后，放下筷子继续思考。

 我们可以从上面的题目中得出，筷子是临界资源，同一根筷子同一时刻只能有一个哲学家可以拿到。

1.问题分析

由问题描述我们可以知道，一共有五个哲学家，也就是五个进程；五只筷子，也就是五个临界资源；因为哲学家想要进餐，必须要同时获得左边和右边的筷子，这就是要同时进入两个临界区（使用临界资源），才可以进餐。

2.信号量设置

因为是五只筷子为临界资源，因此设置五个信号量即可。

3.错误的示例

semaphore mutex[5] = {1,1,1,1,1}; 		//初始化信号量

void philosopher(int i){
  do {
    //thinking			//思考
    P(mutex[i]);//判断哲学家左边的筷子是否可用
    P(mutex[(i+1)%5]);//判断哲学家右边的筷子是否可用
    //...
    //eat		//进餐
    //...
    V(mutex[i]);//退出临界区，允许别的进程操作缓冲池
    V(mutex[(i+1)%5]);//缓冲池中非空的缓冲区数量加1，可以唤醒等待的消费者进程
  }while(true);
}

但是如果考虑到并发问题，五个哲学家同时拿起了左边的筷子，此时，五只筷子立刻都被占用了，没有可用的筷子了，当所有的哲学家再想拿起右边筷子的时候，因为临界资源不足，只能将自身阻塞，而所有的哲学家全部都会阻塞，并且不会释放自己手中拿着的左边的筷子，因此就会一直处于阻塞状态，无法进行进餐并思考。

因为，为了解决五个哲学家争用的资源的问题，我们可以采用以下几种解决方法：

4.解决方案

4.1 方案一

至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用餐完毕后能释放他占用的筷子，从而使别的哲学家能够进餐；

我们可以简单的通过增加一个信号量实现，通过这个信号量限定哲学家并发去进餐的数量。

semaphore mutex[5] = {1,1,1,1,1}; 		//初始化信号量
semaphore count = 4;	//控制最多允许四位哲学家同时进餐

void philosopher(int i){
  do {
    //thinking		//思考
    p(count);		//判断是否超过四人准备进餐
    P(mutex[i]);	//判断缓冲池中是否仍有空闲的缓冲区
    P(mutex[(i+1)%5]);//判断是否可以进入临界区（操作缓冲池）
    //...
    //eat			//进餐
    //...
    V(mutex[i]);//退出临界区，允许别的进程操作缓冲池
    V(mutex[(i+1)%5]);//缓冲池中非空的缓冲区数量加1，可以唤醒等待的消费者进程
    V(count);//用餐完毕，别的哲学家可以开始进餐
  }while(true);
}

4.2 方案二

仅当哲学家的左、右两支筷子可用时，才允许他拿起筷子；第二种方法，也就是使用AND型信号量，同时对哲学家左右两边的筷子同时申请

semaphore mutex[5] = {1,1,1,1,1}; 		//初始化信号量

void philosopher(int i){
  do {
    //thinking		//思考
    Swait(mutex[i], mutex[(i+1)%5]);//判断哲学家左边和右边的筷子是否同时可用
    //...
    //eat		
    //...
    Ssignal(mutex[i], mutex[(i+1)%5]);//进餐完毕，释放哲学家占有的筷子
  }while(true);
}

4.3 方案三

规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子；而偶数号哲学家则相反。对于第三种，需要在代码中添加个判断，来决定获取左、右筷子的顺序

semaphore mutex[5] = {1,1,1,1,1}; 		//初始化信号量

void philosopher(int i){
  do {
    //thinking	
    if(i%2 == 1){
      P(mutex[i]);//判断哲学家左边的筷子是否可用
      P(mutex[(i+1)%5]);//判断哲学家右边的筷子是否可用
    }else{
      P(mutex[(i+1)%5]);//判断哲学家右边的筷子是否可用
      P(mutex[i]);//判断哲学家左边的筷子是否可用
    }
    //...
    //eat
    //...
    V(mutex[i]);//退出临界区，允许别的进程操作缓冲池
    V(mutex[(i+1)%5]);//缓冲池中非空的缓冲区数量加1，可以唤醒等待的消费者进程
  }while(true);
}

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