哲学家进餐问题

1 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（一根一根地拿起）。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。

2 问题分析

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。
   

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… 
      } 
 } 

算法存在的问题：

如果5个哲学家并发地拿起了自己左手边的筷子（执行P(chopstick[i])）; 筷子已经被拿光，然后再想拿右边筷子（ 执行 P(chopstick[(i+1)%5]);）就会全被阻塞，造成死锁；

如何防止死锁的发生呢？

①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
②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。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况。

3 代码实现

仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。

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… 
   } 
 }

4 思想小结

1. 哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁。
2. 这些进程之间只存在互斥关系，但是与之前接触到的互斥关系不同的是，每个进程都需要同时持有两个临界资源，因此就有“死锁”问题的隐患。
3. 如果在实际问题中遇到了一个进程需要同时持有多个临界资源的情况，应该参考哲学家问题的思想，分析题中给出的进程之间是否会发生循环等待，是否会发生死锁。 可以参考哲学家就餐问题解决死锁的三种思路。