C# 多线程编程 经典模型 哲学家进餐问题

语言：C#

 

总起：

今天的哲学家进餐问题是最后多线程模型，讨论的是在有限的资源里线程竞争导致死锁、饥饿等问题。

 

没有接触过多线程编程的同学，可以先看一下第一章。

 

哲学家进餐问题：

该问题说的是，有5个哲学家围在一个圆桌前进餐，每个哲学家两旁有两把叉子，一共5把叉子。每个哲学家进行进餐需要拿起左右两把叉子，吃完之后将两把叉子放回供其他人使用。

 

这个是wiki上的图片：

根据以上的描述，我写了如下的程序：

static Random random = new Random();
public static readonly int MAX_PHILOSOPHERS_NUM = 5;    // 最大的哲学家数量

// 同步标记
static List forks = new List();

private static List philosophers = new List();

// 获取左侧的叉子
public static void WaitLeftFork(int number)
{
    forks[number].WaitOne();
    Console.WriteLine("哲学家" + number + "取得左侧叉子");
}

// 获取右侧的叉子
public static void WaitRightFork(int number)
{
    forks[(number+1) % MAX_PHILOSOPHERS_NUM].WaitOne();
    Console.WriteLine("哲学家" + number + "取得右侧叉子");
}

// 开始吃饭
public static void Eat(int number)
{
    Console.WriteLine("哲学家" + number + "开始进食");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(random.Next(2, 3)));
}

// 释放两个叉子
public static void ReleaseTwoForks(int number)
{
    forks[number].Release();
    forks[(number+1)%MAX_PHILOSOPHERS_NUM].Release();
}

// 休息
public static void TakeARest(int number)
{
    Console.WriteLine("哲学家" + number + "开始休息");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(random.Next(1, 5)));
}

static void Main(string[] args)
{
    // 创建5把叉子和5个哲学家
    for (int i = 0; i < MAX_PHILOSOPHERS_NUM; i++)
    {
        forks.Add(new Semaphore(1, 1));
        philosophers.Add(new Thread(philosopher));
    }

    for (int i = 0; i < MAX_PHILOSOPHERS_NUM; i++)
    {
        philosophers[i].Start(i.ToString() as object);
    }
}

// 哲学家
static void philosopher(object num)
{
    int number = int.Parse(num.ToString());

    while (true)
    {
        WaitLeftFork(number);
        WaitRightFork(number);
        Eat(number);
        ReleaseTwoForks(number);
        TakeARest(number);
    }
}

这边是没有做同步，每个哲学家按照如下的顺序进行进餐：

1.获取左边的叉子

2.获取右边的叉子

3.进餐

4.释放两个叉子

5.休息

 

运行一下看看结果：

很明显发生了死锁，所有的哲学家都在第一时间拿取了左侧的叉子，导致所有人都无法拿取右侧的叉子。

 

资源层级解决方案：

导致问题的原因是只有5把叉子，但有5个哲学家尝试进餐。如果同一时间保证只有4个哲学家尝试进餐，那应该就能解决该问题了。

 

改进后的代码如下：

static Semaphore eatings = new Semaphore(MAX_PHILOSOPHERS_NUM - 1, MAX_PHILOSOPHERS_NUM - 1);

// 哲学家
static void philosopher2(object num)
{
    int number = int.Parse(num.ToString());

    while (true)
    {
        // eatings信号量保证最多只有4个进程尝试进餐
        eatings.WaitOne();
        WaitLeftFork(number);
        WaitRightFork(number);
        Eat(number);
        ReleaseTwoForks(number);
        eatings.Release();

        TakeARest(number);
    }
}

增加了一个信号量使一次只有4个进程尝试进餐。

 

结果如下：

可以看到在前4个哲学家开始进餐的时候，最后一个哲学家不会尝试进餐，从而解决了该问题。

 

中间人解决方案：

如果保证在拿起两把叉子的时候，这两个操作是同步的，那就保证了该哲学家必然能进行进餐，从而不会发生资源竞争的情况。

 

让我们来试试：

static Mutex middle = new Mutex();

// 哲学家
static void philosopher3(object num)
{
    int number = int.Parse(num.ToString());

    while (true)
    {
        // middle互斥体保证同一时间只有一个线程拿两把叉子
        middle.WaitOne();
        WaitLeftFork(number);
        WaitRightFork(number);
        middle.ReleaseMutex();

        Eat(number);
        ReleaseTwoForks(number);

        TakeARest(number);
    }
}

可以看到结果，一切是多么有序的在进行：

Chandy/Misra解决方案：

国内外网站上查了很久，关于这个解决方案的讨论者寥寥，一些文章仔细看也看不出个所以然来，而课程上最多的解决方案就是第二种。

 

但是第二种有个比较明显的缺陷，就是没有解决饥饿问题，其他哲学家可能已经等了很久，结果刚吃完饭的人又连续去吃，这样可能导致其他哲学家始终吃不到饭。

 

而Chandy/Misra的解决方案是未用餐的人优先的，所以没有以上的缺陷。

 

我简单描述一下该解决方案的内容：叉子有一种叫做dirty的属性，首先初始时所有的叉子都是dirty的。哲学家可以向周围的人请求叉子，这时如果手中的叉子是dirty的，那就可以洗干净之后交给请求者，否者则保留在手中。进餐之后两把叉子都会变为dirty。

 

因为给了一次对方后叉子洗干净了，所以不会在两个人之间来回传递叉子。

 

因为网上没有权威的参考，所以这边的代码按照自己的想法进行组织，有不对的地方，希望大家能一起讨论一下。

 

以下是我自己理解的代码：

//Fork.cs
class Fork
{
    private Mutex mutex = new Mutex();

    private Philosopher owner;
    private bool dirty = true;

    // 初始化设置所有者
    public void SetOwner(Philosopher owner)
    {
        this.owner = owner;
    }

    // 判断当前叉子是否是自己的
    public bool IsOwner(Philosopher p)
    {
        return p == owner;
    }

    // 锁住当前叉子
    public void Lock()
    {
        mutex.WaitOne();
    }

    // 解锁当前叉子
    public void Unlock()
    {
        mutex.ReleaseMutex();
    }

    // 使用完之后叉子变脏
    public void DoingUse()
    {
        dirty = true;
    }

    // 请求一个叉子
    public void request(Philosopher wanter)
    {
        // 当前叉子不是自己的情况下
        while (owner != wanter)
        {
            Philosopher.mutex.WaitOne();
            Lock();
            // 如果叉子是脏的，则向对方请求获取叉子
            if (dirty)
            {
                Console.WriteLine("哲学家" + wanter.id + "向" + owner.id + "请求叉子成功");
                dirty = false;
                owner = wanter;
            }
            Unlock();
            Philosopher.mutex.ReleaseMutex();
        }
    }
}

// Philosopher.cs
class Philosopher
{
    static Random random = new Random();
    public static readonly Mutex mutex = new Mutex();

    public readonly int id;
    private Fork leftFork;
    private Fork rightFork;
    private Thread thread;

    public Philosopher(int id, Fork leftFork, Fork rightFork)
    {
        this.id = id;
        this.leftFork = leftFork;
        this.rightFork = rightFork;
        thread = new Thread(run);
    }

    public void Start()
    {
        thread.Start();
    }

    void run()
    {
        while (true)
        {
            // 尝试请求左叉子
            leftFork.request(this);

            // 尝试请求右叉子
            rightFork.request(this);

            // 判断两个叉子是否都到手
            mutex.WaitOne();
            if (leftFork.IsOwner(this) && rightFork.IsOwner(this))
            {
                // 两个叉子到手，赶紧锁住
                leftFork.Lock();
                rightFork.Lock();
                mutex.ReleaseMutex();
            }
            else
            {
                // 被人拿走了一个叉子，重新开始请求
                mutex.ReleaseMutex();
                continue;
            }
                
            // 吃
            Eat(id);

            // 释放叉子
            leftFork.DoingUse();
            rightFork.DoingUse();
            leftFork.Unlock();
            rightFork.Unlock();

            // 休息一下
            TakeARest(id);
        }
    }

    // 开始吃饭
    public static void Eat(int number)
    {
        Console.WriteLine("哲学家" + number + "开始进食");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(random.Next(2, 3)));
    }

    // 休息
    public static void TakeARest(int number)
    {
        Console.WriteLine("哲学家" + number + "开始休息");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(random.Next(1, 5)));
    }
}

// Program.cs
class Program
{
    public static readonly int MAX_PHILOSOPHERS_NUM = 5;    // 最大的哲学家数量
        
    static void Main(string[] args)
    {
        List forks = new List();
        List philosophers = new List();

        // 创建5把叉子
        for (int i = 0; i < MAX_PHILOSOPHERS_NUM; i++)
        {
            forks.Add(new Fork());
        }

        // 创建5个哲学家
        for (int i = 0; i < MAX_PHILOSOPHERS_NUM; i++)
        {
            philosophers.Add(new Philosopher(i, forks[i], forks[(i+1) % MAX_PHILOSOPHERS_NUM]));
        }

        // 初始化叉子，这边是关键
        for (int i = 0; i < MAX_PHILOSOPHERS_NUM; i++)
        {
            // 设置叉子的初始主人，如果单纯的将叉子设置为对应id的主人，
            // 每个叉子被抢一次后，所有人都拥有一个干净的叉子，那么就又陷入第一个死锁问题了
            // 所以这边叉子初始主人初始化为id最低的主人

            // 第一个可能的主人
            int oneP = i - 1;
            while (oneP < 0) oneP += MAX_PHILOSOPHERS_NUM;
            oneP = oneP % MAX_PHILOSOPHERS_NUM;
            // 第二个可能的主人
            int otherP = i;

            // 设置id最低的主人
            forks[i].SetOwner(philosophers[Math.Min(oneP, otherP)]);
        }

        // 开始跑
        for (int i = 0; i < MAX_PHILOSOPHERS_NUM; i++)
        {
            philosophers[i].Start();
        }
    }
}

结果如下：

可以看出能够很好的运行。该方案主要针对没有吃过的哲学家优先进行优化，如果没有必要的话其实第二种方案绝对是足够了，不然为什么课程上教的都是第二种方案（笑）。

 

总结：

多线程的课程到此结束了，在多线程问题中，很多都是运行1小时、1天、甚至好几天才会出一次的问题，但如果纵容这种错误是一种不专业的行为。

 

多线程编程始终算作是一种比较难的编程，所以尽量编写单线程，避免不了的情况下请多使用资源复制的方式，如果还是不行就最好参考多线程的这三种模型，大多数多线程的问题都是这三个模型或其变种。

 

总之完成多线程编程后一定要多多测试，这边给出几个多线程的测试工具：Aspect-Oriented Framework、CGLIB、ASM和ConTest。

 

如果以后有机会接触多线程的话，会继续研究，现在就到此为止。