哲學家進餐問題解析

這篇文章將給出POSIX的pthread實現，c++11的thread庫的實現方式。部分源碼內容可能摘抄自他人博客，表示此篇文章非絕對原創，感謝。

 

1. 問題描述

場景：5個哲學家，5把叉子，5盤意大利面（意大利面很滑，需要兩把叉子才能拿起）大家圍繞桌子，進行思考與進食的活到，如下圖所示。

哲學家的活動方式為：要么放下左右手刀叉進行思考，要么拿起刀叉開始吃飯（刀叉拿起時，必須拿兩把，而且只能左右手依次拿，先左手拿左邊，后右手拿右邊，或者先右手拿右邊，左邊拿左邊）。其只有這兩種交替狀態。

哲學家們面臨的問題為：如何安排哲學家們一致的行動邏輯，保證他們至少有人且盡可能兩個人能同時拿到兩把叉子開始吃飯，而不會發生“死鎖”，“飢餓”，“干等”的狀態。需要注意的是，大家想吃飯的時機是隨機的，想思考的時機也是隨機的，這個不受控制，不可能由“你”來安排哲學家們哪幾個先吃，哪幾個后吃，他們不受你控制，但你要賦予他們一種性格，或者說思考方式，保證他們自主的思考，自主的解決問題。

• 死鎖：大家都同時想吃飯，結果同時拿起左手邊叉子，發現同時右邊沒有叉子，然后各懷私心，僵持者希望有人能放下他左手邊叉子，然后搶奪之，開始吃意大利面，結果大家都沒放。。。
• 飢餓：大家都同時想吃飯，結果同時拿起左手邊叉子，發現同時右邊沒有叉子，然后都很慷慨，結果大家同時放下左手邊叉子，然后大家發現有叉子了，又同時開始拿起左手邊叉子，又同時放下，如此反復。。。
• 干等：假設想拿叉子這個想法的產生是一個“原子”操作，即不可同時發生，不可中斷，然后一旦有人想拿，就進化為X教授，然后用能力控制了其他人處於僵化狀態，然后開始獨享，獨享完后放下叉子想思考了，立即喪失超能力，於是其余四人回歸正常，然后5人中再次有人想拿叉子，進化為教授，周而復始。但是這樣，尼瑪一個人吃，其余四個干看着啊。。怎么說也有5把叉子，5盤意大利面，至多可以兩個人同時吃的。

 

2. 解決方法

1）服務生解法

2）資源分級解法

3）Chandy/Misra解法

　　

3.Posix的pthread實現

pthreadc()為主函數。

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

//宏定義信號量個數為5,宏定義0表示思考,宏定義1表示餓,宏定義2表示吃,宏定義(ph_num+4)%N表示左,宏定義(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

 //聲明操作函數,取叉函數,放叉函數,測試函數
void* philospher(void *num);
void takeFork(int);
void putFork(int);
void test(int);
int pthreadc();

//聲明互斥鎖 ,聲明數組
sem_t mutex;
sem_t S[N];

int state[N];//定義整型數組
int phil_num[N] = { 0, 1, 2, 3, 4 };//初始化數組

int pthreadc()
{
    int i;
    pthread_t thread_id[N];//聲明線程ID數組
    sem_init(&mutex, 0, 1);//初使化信號量的狀態為1，並且信號量在一個進程的線程間進行共享

    for (i = 0; i<N; i++)//初始化s數組
        sem_init(&S[i], 0, 0);//初始化S[i]的值為零

    for (i = 0; i<N; i++)
    {
        pthread_create(&thread_id[i], NULL, philospher, &phil_num[i]);//創建哲學家線程函數
        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]線程結束
}


void* philospher(void *num)
{
    while (1)
    {
        int *i = (int*)num;
        sleep(1);//調整頻率
        takeFork(*i);//申請叉子
        sleep(0);//放棄當前線程執行的時間片，把自身放到等待隊列之中。
        putFork(*i);//放下叉子
    }

    return nullptr;
}


void takeFork(int ph_num)
{
    sem_wait(&mutex);//給信號量的值減上一個“1”
    state[ph_num] = HUNGRY;//初始化狀態為HUNGRY（餓）
    printf("Philosopher %d want to eat\n", ph_num + 1);
    test(ph_num);//測試函數
    sem_post(&mutex);//給信號量的值加上一個“1”
    sem_wait(&S[ph_num]);//給信號量的值減上一個“1”
    sleep(1);//調整頻率
}


//******************能夠吃就改變信號量的值和狀態**********************************************
void test(int ph_num)
{    /*如果state[ph_num]狀態為HUNGRY並且state[LEFT]和state[RIGHT]的狀態都不等於EATING*/
    if (state[ph_num] == HUNGRY && state[LEFT] != EATING && state[RIGHT] != EATING)
    {
        state[ph_num] = EATING;//將state[ph_num]狀態置為EATING（吃飯）
        sleep(2);//調整頻率
        printf("Philosopher %d is eating now\n", ph_num + 1);
        sem_post(&S[ph_num]);//給信號量的值加上一個“1”
    }
}


//******************************************************************************************
void putFork(int ph_num)
{
    sem_wait(&mutex);//信號量減1
    state[ph_num] = THINKING;//將state[ph_num]狀態置為THINKING（思考）
    printf("Philosopher %d is thinking now\n", ph_num + 1);
    test(LEFT);
    test(RIGHT);
    sem_post(&mutex);//給信號量的值加上一個“1”
}