【线程同步三部曲】之哲学家进餐问题，c语言实现

问题描述

背景描述
有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐，哲学家们共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五支筷子，平时哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐，该哲学家进餐完毕后，放下左右两只筷子又继续思考。

约束条件：
(1)只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭。
(2)如果筷子已被别人拿走，则必须等别人吃完之后才能拿到筷子。
(3)任一哲学家在自己未拿到两只筷子吃完饭前，不会放下手中已经拿到的筷子。

解决方案

我们要实现的是每个哲学家都有机会拿到左右两把叉子进行用餐，那么，可以明确的是叉子成为相邻哲学家进餐的竞争条件。接下来，我们通过一些操作实现哲学家间取叉子的同步而不产生死锁。

一、一个最简单但不安全的方案

方案描述

如上图，对所有哲学家和叉子进行编号，每个哲学家右手的叉子的编号与哲学家编号相同。进餐时，每个哲学家先取得右手的叉子，再取得左手的叉子，方可开始进餐。

下图是对上述方案的流程描述

到这，不妨思考几秒钟，这个方案会产生什么问题呢？

好了，揭晓漏洞：
这种实现是有可能产生死锁的，即所有哲学家都拿着右手边的叉子，都在等待左手边的叉子，于是每个人都干等着，谁都吃不到饭。

方案代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  


#define NUM 5

int eaters = 0;

//-------------------一些信号量----------------
sem_t sem_fork[NUM];
sem_t sem_eaters;
void sem_mutex_init()
{
	int i;
	for(i = 0;i < NUM; ++i)
		if(sem_init(&sem_fork[i],0,1) == -1)
		{
			printf("sem_init失败，退出!\n");
			exit(1);
		}
	if(sem_init(&sem_eaters,0,1) == -1)
	{
		printf("sem_init失败，退出!\n");
		exit(1);
	}
	return ;
}

void philosopher()
{
	for(;;)
	{
		sleep(3);
		
		pthread_t tid = pthread_self();
		tid %= 5;//这是给线程编号从0-4的一种比较简单的方法，使得和sem_fork[0] -sem_forks[4]对应
		//先拿右手边的叉子，再拿左手边的叉子
		printf("%d号哲学家正在思考...\n",tid);
		sem_wait(&sem_fork[tid]);
		sem_wait(&sem_fork[(tid+1)%5]);


		sem_wait(&sem_eaters);
		eaters++;

		printf("%d号哲学家正在用餐，目前有%d个用餐者\n",tid,eaters);
		//吃完了
		sem_post(&sem_eaters);
		
		

		sem_post(&sem_fork[(tid+1)%5]);
		sem_post(&sem_fork[tid]);

		sem_wait(&sem_eaters);
		eaters--;
		sem_post(&sem_eaters);

	}
}

int main(void)
{
	int i;
	pthread_t philosopher_threads[NUM];
	for(i = 0; i < NUM; ++i)
	{
		if(pthread_create(&philosopher_threads[i],NULL,philosopher,philosopher_threads) != 0)
		{
			printf("创建第%d个哲学家进程失败！\n",i+1);
			exit(1);
		}
	}

	
	sem_mutex_init();
	

	for(i = 0; i < NUM; ++i)
	{
		pthread_join(philosopher_threads[i],NULL);
	}

	return 0;

}

二、对第一个方案的改正

方案描述

此方案和第一个方案大同小异。那么，改正方案通过“单双号限流”避免死锁：双号线程先拿右手边叉子，拿左手边叉子；单号线程先拿左手边叉子再拿右手边叉子。

脑补一下，这样就不会产生死锁了，对吧

方案代码

代码和上一个方案的区别就在philosopher函数里对线程单双号进行了区别对待

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  


#define NUM 5

int eaters = 0;

//-------------------一些信号量----------------
sem_t sem_fork[NUM];
sem_t sem_eaters;
void sem_mutex_init()
{
	int i;
	for(i = 0;i < NUM; ++i)
		if(sem_init(&sem_fork[i],0,1) == -1)
		{
			printf("sem_init失败，退出!\n");
			exit(1);
		}
	if(sem_init(&sem_eaters,0,1) == -1)
	{
		printf("sem_init失败，退出!\n");
		exit(1);
	}
	return ;
}

void philosopher()
{
	for(;;)
	{
		sleep(3);
		
		pthread_t tid = pthread_self();
		tid %= 5;//这是给线程编号从0-4的一种比较简单的方法，使得和sem_fork[0] -sem_forks[4]对应
		//先拿右手边的叉子，再拿左手边的叉子
		if(tid % 2 == 1)
		{
			printf("%d号哲学家正在思考...\n",tid);
			sem_wait(&sem_fork[tid]);
			sem_wait(&sem_fork[(tid+1)%5]);


			sem_wait(&sem_eaters);
			eaters++;

			printf("%d号哲学家正在用餐，目前有%d个用餐者\n",tid,eaters);
			//吃完了
			sem_post(&sem_eaters);
			
			sem_post(&sem_fork[(tid+1)%5]);
			sem_post(&sem_fork[tid]);

			sem_wait(&sem_eaters);
			eaters--;
			sem_post(&sem_eaters);

		}
		else
		{
			printf("%d号哲学家正在思考...\n",tid);
			sem_wait(&sem_fork[(tid+1)%5]);
			sem_wait(&sem_fork[tid]);
			


			sem_wait(&sem_eaters);
			eaters++;

			printf("%d号哲学家正在用餐，目前有%d个用餐者\n",tid,eaters);
			//吃完了
			sem_post(&sem_eaters);
			
					
			sem_post(&sem_fork[tid]);
			sem_post(&sem_fork[(tid+1)%5]);
			sem_wait(&sem_eaters);
			eaters--;
			sem_post(&sem_eaters);

		}
		
		
	}
}

int main(void)
{
	int i;
	pthread_t philosopher_threads[NUM];
	for(i = 0; i < NUM; ++i)
	{
		if(pthread_create(&philosopher_threads[i],NULL,philosopher,philosopher_threads) != 0)
		{
			printf("创建第%d个哲学家进程失败！\n",i+1);
			exit(1);
		}
	}

	
	sem_mutex_init();
	

	for(i = 0; i < NUM; ++i)
	{
		pthread_join(philosopher_threads[i],NULL);
	}

	return 0;

}

笔者才疏学浅，若同学们有更好的想法请不吝赐教，一起探讨哈！

首次编辑 2020-4-26 23:10:58