哲学家进餐问题解析

这篇文章将给出POSIX的pthread实现，c++11的thread库的实现方式。部分源码内容可能摘抄自他人博客，表示此篇文章非绝对原创，感谢。

 

1. 问题描述

场景：5个哲学家，5把叉子，5盘意大利面（意大利面很滑，需要两把叉子才能拿起）大家围绕桌子，进行思考与进食的活到，如下图所示。

哲学家的活动方式为：要么放下左右手刀叉进行思考，要么拿起刀叉开始吃饭（刀叉拿起时，必须拿两把，而且只能左右手依次拿，先左手拿左边，后右手拿右边，或者先右手拿右边，左边拿左边）。其只有这两种交替状态。

哲学家们面临的问题为：如何安排哲学家们一致的行动逻辑，保证他们至少有人且尽可能两个人能同时拿到两把叉子开始吃饭，而不会发生“死锁”，“饥饿”，“干等”的状态。需要注意的是，大家想吃饭的时机是随机的，想思考的时机也是随机的，这个不受控制，不可能由“你”来安排哲学家们哪几个先吃，哪几个后吃，他们不受你控制，但你要赋予他们一种性格，或者说思考方式，保证他们自主的思考，自主的解决问题。

• 死锁：大家都同时想吃饭，结果同时拿起左手边叉子，发现同时右边没有叉子，然后各怀私心，僵持者希望有人能放下他左手边叉子，然后抢夺之，开始吃意大利面，结果大家都没放。。。
• 饥饿：大家都同时想吃饭，结果同时拿起左手边叉子，发现同时右边没有叉子，然后都很慷慨，结果大家同时放下左手边叉子，然后大家发现有叉子了，又同时开始拿起左手边叉子，又同时放下，如此反复。。。
• 干等：假设想拿叉子这个想法的产生是一个“原子”操作，即不可同时发生，不可中断，然后一旦有人想拿，就进化为X教授，然后用能力控制了其他人处于僵化状态，然后开始独享，独享完后放下叉子想思考了，立即丧失超能力，于是其余四人回归正常，然后5人中再次有人想拿叉子，进化为教授，周而复始。但是这样，尼玛一个人吃，其余四个干看着啊。。怎么说也有5把叉子，5盘意大利面，至多可以两个人同时吃的。

 

2. 解决方法

1）服务生解法

2）资源分级解法

3）Chandy/Misra解法

　　

3.Posix的pthread实现

pthreadc()为主函数。

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

//宏定义信号量个数为5,宏定义0表示思考,宏定义1表示饿,宏定义2表示吃,宏定义(ph_num+4)%N表示左,宏定义(ph_num+1)%N表示右
#define N 5
#define THINKING 0
#define HUNGRY 1
#define EATING 2
#define LEFT (ph_num+4)%N
#define RIGHT (ph_num+1)%N

 //声明操作函数,取叉函数,放叉函数,测试函数
void* philospher(void *num);
void takeFork(int);
void putFork(int);
void test(int);
int pthreadc();

//声明互斥锁 ,声明数组
sem_t mutex;
sem_t S[N];

int state[N];//定义整型数组
int phil_num[N] = { 0, 1, 2, 3, 4 };//初始化数组

int pthreadc()
{
    int i;
    pthread_t thread_id[N];//声明线程ID数组
    sem_init(&mutex, 0, 1);//初使化信号量的状态为1，并且信号量在一个进程的线程间进行共享

    for (i = 0; i<N; i++)//初始化s数组
        sem_init(&S[i], 0, 0);//初始化S[i]的值为零

    for (i = 0; i<N; i++)
    {
        pthread_create(&thread_id[i], NULL, philospher, &phil_num[i]);//创建哲学家线程函数
        printf("Philosopher %d is ready to grab folks\n", i + 1);
    }

    for (i = 0; i<N; i++)
        pthread_join(thread_id[i], NULL);//等待thread_id[i]线程结束
}


void* philospher(void *num)
{
    while (1)
    {
        int *i = (int*)num;
        sleep(1);//调整频率
        takeFork(*i);//申请叉子
        sleep(0);//放弃当前线程执行的时间片，把自身放到等待队列之中。
        putFork(*i);//放下叉子
    }

    return nullptr;
}


void takeFork(int ph_num)
{
    sem_wait(&mutex);//给信号量的值减上一个“1”
    state[ph_num] = HUNGRY;//初始化状态为HUNGRY（饿）
    printf("Philosopher %d want to eat\n", ph_num + 1);
    test(ph_num);//测试函数
    sem_post(&mutex);//给信号量的值加上一个“1”
    sem_wait(&S[ph_num]);//给信号量的值减上一个“1”
    sleep(1);//调整频率
}


//******************能够吃就改变信号量的值和状态**********************************************
void test(int ph_num)
{    /*如果state[ph_num]状态为HUNGRY并且state[LEFT]和state[RIGHT]的状态都不等于EATING*/
    if (state[ph_num] == HUNGRY && state[LEFT] != EATING && state[RIGHT] != EATING)
    {
        state[ph_num] = EATING;//将state[ph_num]状态置为EATING（吃饭）
        sleep(2);//调整频率
        printf("Philosopher %d is eating now\n", ph_num + 1);
        sem_post(&S[ph_num]);//给信号量的值加上一个“1”
    }
}


//******************************************************************************************
void putFork(int ph_num)
{
    sem_wait(&mutex);//信号量减1
    state[ph_num] = THINKING;//将state[ph_num]状态置为THINKING（思考）
    printf("Philosopher %d is thinking now\n", ph_num + 1);
    test(LEFT);
    test(RIGHT);
    sem_post(&mutex);//给信号量的值加上一个“1”
}