【专项专攻】01-哲学家进餐问题

前言：

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当一位哲学家思考时，他与其他同事不交流。时而，他会感到饥饿，并试图拿起与他相近的两根筷子（筷子在他和他的左或右邻居之间）。一个哲学家一次只能拿起一根筷子。显然，他不能从其他哲学家手里拿走筷子。当一个饥饿的哲学家同时拥有两根筷子时，他就能吃。在吃完后，他会放下两根筷子，并开始思考。

哲学家就餐问题是一个经典的同步问题，这不是因为其本身的实际重要性，也不是因为计算机科学家不喜欢哲学家，而是因为它是大量并发控制问题的一个例子。这个代表型的例子满足：在多个进程之间分配多个资源，而且不会出现死锁和饥饿。

哲学家进餐问题：
（一）问题：
5个哲学家围坐在一个圆桌上，每两个哲学家之间都有一只筷子，哲学家平时进行思考，只有当他们饥饿时，才拿起筷子吃饭。
规定每个哲学家只能先取其左边筷子，然后取其右边筷子，然后才可以吃饭。

（二）分析：
每一只筷子都是一个临界资源，设置5个互斥信号量。
Semaphore stcik[5]={1,1,1,1,1}

因为：只有占有左边筷子-》占有右边筷子-》吃饭
所以p(左边筷子)-》p(右边筷子)-》吃饭

（三）实现：
main(){
philosopher(0);//注意不可以用循环，因为此中是4个并列的进程。
philosopher(1);
philosopher(2);
philosopher(3);
philosopher(4);
}

philosopher(int i){
while(1){
思考；
p(stick[i]);//取左边筷子
p(stick[i+1]);//取右边筷子

进餐；
V(stick[i]);
v(stick[i+1]);
}
}

（四）问题：
如果5个哲学家同时拿起自己左边的筷子，就会发生死锁。

（五）防止死锁的方法：

（1）方法一：
规定在拿到左侧的筷子后，先检查右面的筷子是否可用。如果不可用，则先放下左侧筷子， 等一段时间再重复整个过程。

问题：发生饥饿现象；
如果同时拿起左边筷子，则右边的筷子都不可用，则放下，然后再次拿起，。。。，则谁都无法就餐，

（2）方法二：
最多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。

伪码：
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
semaphore room=4;
void philosopher(int i)
{
while(true)
{
think();
wait(room); //请求进入房间进餐
wait(chopstick[i]); //请求左手边的筷子
wait(chopstick[(i+1)%5]); //请求右手边的筷子
eat();
signal(chopstick[(i+1)%5]); //释放右手边的筷子
signal(chopstick[i]); //释放左手边的筷子
signal(room); //退出房间释放信号量room
}
}

（3）将拿左筷子，与拿右筷子当做一个原子操作：（即只有当左右筷子均可以拿到时，才拿筷子。）

方法一：
利用AND 型信号量机制实现：根据课程讲述，在一个原语中，将一段代码同时需
要的多个临界资源，要么全部分配给它，要么一个都不分配，因此不会出现死锁的情形。

伪码：
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
void philosopher(int I)
{
while(true)
{
think();
P(chopstick[(I+1)]%5,chopstick[I]);
eat();
V(chopstick[(I+1)]%5,chopstick[I]);
}
}

方法二：
利用信号量的保护机制实现。通过信号量mutex对eat（）之前的取左侧和右侧筷
子的操作进行保护，使之成为一个原子操作，这样可以防止死锁的出现。

伪码：
semaphore mutex = 1 ;
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
void philosopher(int I)
{
while(true)
{
think();
P(mutex);
P(chopstick[(I+1)]%5);
P(chopstick[I]);
V(mutex);

eat();
V(chopstick[(I+1)]%5);
V(chopstick[I]);
}
}

（4）规定奇数号的哲学家先拿起他左边的筷子，然后再去拿他右边的筷子;而偶数号 的哲学家则相反。
伪码：
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
void philosopher(int i)
{
while(true)
{
think();
if(i%2 == 0) //偶数哲学家，先右后左。
{
P (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
P (chopstick[ i]) ;
eat();
V (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
V (chopstick[ i]) ;
}
Else //奇数哲学家，先左后右。
{
p (chopstick[ i]) ;
p (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
eat();
V (chopstick[ i]) ;
V (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
}
}