PV操作典型——哲学家进餐问题

目标

哲学家进餐是操作系统课程的典型PV操作问题。通过此问题学习:
1.熟悉Linux平台的基本编程
2.在Linux平台上通过系统调用使用线程、互斥量机制以及信号量机制等进行编程

哲学家进餐问题

内容:在Unix系统下实现哲学家就餐问题:要求显示出每个哲学家的工作状态,如吃饭,思考;连续运行30次以上都未出现死锁现象。

由Dijkstra提出并解决的哲学家进餐问题(The Dinning Philosophers Problem)是典型的同步问题。该问题是描述有五个哲学家共用一张圆桌,分别坐在周围的五张椅子上,在圆桌上有五个碗和五只筷子,他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。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,只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐完毕,放下筷子继续思考。PV操作典型——哲学家进餐问题_第1张图片

解决思路

放在桌子上的筷子是临界资源,在一段时间内只允许一位哲学家使用,为了实现对筷子的互斥访问,可以用一个信号量表示筷子,由这五个信号量构成信号量数组。
下面展示一些 内联代码片

semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
while(true)
{
	/*当哲学家饥饿时,总是先拿左边的筷子,再拿右边的筷子*/
	wait(chopstick[i]);
	wait(chopstick[(i+1)%5]);

	// 吃饭
 
	/*当哲学家进餐完成后,总是先放下左边的筷子,再放下右边的筷子*/
	signal(chopstick[i]);
	signal(chopstick[(i+1)%5]);
}

上述的代码可以保证不会有两个相邻的哲学家同时进餐,但却可能引起死锁的情况。假如五位哲学家同时饥饿而都拿起的左边的筷子,就会使五个信号量chopstick都为0,当他们试图去拿右手边的筷子时,都将无筷子而陷入无限期的等待。
拿起拿起筷子操作导致死锁的原因:

  • 筷子需要互斥访问
  • 任务无法抢占其他任务已经拿起的筷子
  • 任务拿起筷子直到进餐完毕后才放下
  • 圆桌导致可能出现循环等待

预防死锁的实现方法1:破坏“请求和保持条件”(作为参考,不以此实现)
任务如果无法同时拿起两支筷子,则放下已经拿起的筷子,等待一段时间再尝试
利用POSIX API中的非阻塞操作实现对能否拿起筷子的判断
pthread_mutex_trylock操作(非阻塞加锁)
sem_trywait操作(非阻塞P操作)
XSI信号量集中设置IPC_NOWAIT参数(非阻塞V操作)
预防死锁的实现方法2:破坏“循环等待条件”
对哲学家编号,奇偶号哲学家拿起筷子的顺序不同
避免死锁的实现方法
再创建一个任务,哲学家拿起筷子时向该任务发起申请,由该任务对当前筷子的分配情况进行判断,判定系统是否由安全状态向不安全状态转换,从而允许或拒绝该次申请

设计与实现

拿起筷子和放下筷子的操作如何实现:
筷子是临界资源,拿起筷子操作就哲学家(不同任务)之间是对临界资源的互斥访问,放下筷子就是对临界资源的释放,在Linux中可以通过多种机制来实现:
互斥量(加锁,解锁),适用于线程
POSIX信号量(P操作,V操作),无名信号量适用于线程,命名信号量适用于进程/线程
XSI信号量集(P操作,V操作),同时适用于进程与线程。

策略一

主线程
PV操作典型——哲学家进餐问题_第2张图片
哲学家进餐线程
PV操作典型——哲学家进餐问题_第3张图片
部分结果展示
PV操作典型——哲学家进餐问题_第4张图片

策略二

至多只允许四个哲学家同时进餐,以保证至少有一个哲学家能够进餐,最终总会释放出他所使用过的两支筷子,从而可使更多的哲学家进餐。定义信号量count,只允许4个哲学家同时进餐,这样就能保证至少有一个哲学家可以就餐。
主线程
PV操作典型——哲学家进餐问题_第5张图片
哲学家进餐进程
PV操作典型——哲学家进餐问题_第6张图片
部分结果展示
PV操作典型——哲学家进餐问题_第7张图片

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