【操作系统】哲学家进餐问题

目录

一、概念

二、以原子的思想解决死锁

 三、破环环路的思想解决死锁

四、使用管程来解决死锁

一、概念

问题描述：

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。

 筷子是临界资源，一段时间只允许一位哲学家使用。为了表示互斥，用一个互斥锁表示一只筷子，五个互斥锁构成互斥锁数组。

进餐毕，先放下他左边的筷子，然后再放下右边的筷子。当五个哲学家同时去取他左边的筷子，每人拿到一只筷子且不释放，即五个哲学家只得无限等待下去，引起死锁。

以下代码可能引起死锁：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <chrono>const int NUM_PHILOSOPHERS = 5;std::vector<std::mutex> forks(NUM_PHILOSOPHERS);void philosopher(int id) {//1 a 1 a 1 a 1 a 1 aint left_fork = id;int right_fork = (id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS;while (true) {// 思考std::cout << "Philosopher " << id << " is thinking." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 尝试拿起筷子std::unique_lock<std::mutex> left_lock(forks[left_fork]);std::unique_lock<std::mutex> right_lock(forks[right_fork]);// 就餐std::cout << "Philosopher " << id << " is eating." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 放下筷子right_lock.unlock();left_lock.unlock();}
}int main() {std::vector<std::thread> philosophers;for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {philosophers.emplace_back(philosopher, i);}for (auto& ph : philosophers) {ph.join();}return 0;
}

二、以原子的思想解决死锁

原子操作指的是一组不可分割的操作，这些操作要么全部执行成功，要么全部不执行，是一个整体，不可再分。

若只拿到左筷子，没有拿到右筷子，则rollback，释放所以的左筷子锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <chrono>const int NUM_PHILOSOPHERS = 5;std::vector<std::mutex> forks(NUM_PHILOSOPHERS);
void philosopher(int id) {int left_fork = id;int right_fork = (id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS;while (true) {// 思考std::cout << "Philosopher " << id << " is thinking." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 尝试同时拿起两根筷子while (true) {// 尝试锁定左边的筷子std::unique_lock<std::mutex> left_lock(forks[left_fork], std::try_to_lock);if (left_lock.owns_lock()) {// 尝试锁定右边的筷子std::unique_lock<std::mutex> right_lock(forks[right_fork], std::try_to_lock);if (right_lock.owns_lock()) {// 成功锁定两根筷子，开始就餐std::cout << "Philosopher " << id << " is eating." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 放下筷子（自动释放锁）break;} else {// 未能锁定右边的筷子，释放左边的筷子left_lock.unlock();}}// 等待一段时间后重试std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));}}
}
int main() {std::vector<std::thread> philosophers;for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {philosophers.emplace_back(philosopher, i);}for (auto& ph : philosophers) {ph.join();}return 0;
}

 三、破环环路的思想解决死锁

奇数号哲学家先拿左边的筷子，偶数号哲学家先拿右边的筷子，可以破坏循环等待的条件，从而避免死锁。这种方法的核心思想是打破哲学家之间的对称性，使得不会所有哲学家同时持有左边的筷子并等待右边的筷子。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <chrono>const int NUM_PHILOSOPHERS = 5;std::vector<std::mutex> forks(NUM_PHILOSOPHERS); // 每根筷子用一个互斥锁表示void philosopher(int id) {int left_fork = id;int right_fork = (id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS;while (true) {// 思考std::cout << "Philosopher " << id << " is thinking." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 奇数号哲学家先拿左边的筷子，偶数号哲学家先拿右边的筷子if (id % 2 == 1) {// 奇数号哲学家std::unique_lock<std::mutex> left_lock(forks[left_fork]);std::unique_lock<std::mutex> right_lock(forks[right_fork]);// 就餐std::cout << "Philosopher " << id << " is eating." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 放下筷子（自动释放锁）} else {// 偶数号哲学家std::unique_lock<std::mutex> right_lock(forks[right_fork]);std::unique_lock<std::mutex> left_lock(forks[left_fork]);// 就餐std::cout << "Philosopher " << id << " is eating." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 放下筷子（自动释放锁）}}
}int main() {std::vector<std::thread> philosophers;// 创建哲学家线程for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {philosophers.emplace_back(philosopher, i);}// 等待所有哲学家线程完成（实际上永远不会完成）for (auto& ph : philosophers) {ph.join();}return 0;
}

限制同时就餐的哲学家数量，破坏环路，可以确保至少有一位哲学家能够成功进餐，从而避免死锁。这种方法的核心思想是 减少资源竞争，确保系统中始终有可用的资源。 

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <chrono>
#include <semaphore.h>const int NUM_PHILOSOPHERS = 5;std::vector<std::mutex> forks(NUM_PHILOSOPHERS); // 每根筷子用一个互斥锁表示
sem_t table; // 信号量，限制同时就餐的哲学家数量void philosopher(int id) {int left_fork = id;int right_fork = (id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS;while (true) {// 思考std::cout << "Philosopher " << id << " is thinking." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 尝试进入就餐状态sem_wait(&table);// 拿起左边的筷子std::unique_lock<std::mutex> left_lock(forks[left_fork]);std::cout << "Philosopher " << id << " picked up left fork " << left_fork << "." << std::endl;// 拿起右边的筷子std::unique_lock<std::mutex> right_lock(forks[right_fork]);std::cout << "Philosopher " << id << " picked up right fork " << right_fork << "." << std::endl;// 就餐std::cout << "Philosopher " << id << " is eating." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 放下右边的筷子right_lock.unlock();std::cout << "Philosopher " << id << " put down right fork " << right_fork << "." << std::endl;// 放下左边的筷子left_lock.unlock();std::cout << "Philosopher " << id << " put down left fork " << left_fork << "." << std::endl;// 离开就餐状态sem_post(&table);}
}int main() {// 初始化信号量，最多允许 4 位哲学家同时就餐sem_init(&table, 0, NUM_PHILOSOPHERS - 1);std::vector<std::thread> philosophers;// 创建哲学家线程for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {philosophers.emplace_back(philosopher, i);}// 等待所有哲学家线程完成（实际上永远不会完成）for (auto& ph : philosophers) {ph.join();}// 销毁信号量sem_destroy(&table);return 0;
}

四、使用管程来解决死锁

程是一种将共享资源及其操作封装在一起的同步机制，它通过条件变量和互斥锁实现线程间的同步和互斥。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <chrono>
#include <condition_variable>const int NUM_PHILOSOPHERS = 5;class DiningPhilosophers {
private:std::vector<std::mutex> forks; // 每根筷子用一个互斥锁表示std::vector<std::condition_variable> conditions; // 每个哲学家的条件变量std::vector<bool> isEating; // 记录哲学家是否正在就餐std::mutex monitorMutex; // 管程的互斥锁public:DiningPhilosophers() : forks(NUM_PHILOSOPHERS), conditions(NUM_PHILOSOPHERS), isEating(NUM_PHILOSOPHERS, false) {}// 哲学家请求筷子void requestForks(int id) {std::unique_lock<std::mutex> lock(monitorMutex);int left_fork = id;int right_fork = (id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS;// 如果左右筷子被占用，则等待while (isEating[left_fork] || isEating[right_fork]) {conditions[id].wait(lock);}// 拿起筷子forks[left_fork].lock();forks[right_fork].lock();isEating[id] = true;std::cout << "Philosopher " << id << " picked up forks " << left_fork << " and " << right_fork << "." << std::endl;}// 哲学家释放筷子void releaseForks(int id) {std::unique_lock<std::mutex> lock(monitorMutex);int left_fork = id;int right_fork = (id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS;// 放下筷子forks[left_fork].unlock();forks[right_fork].unlock();isEating[id] = false;std::cout << "Philosopher " << id << " put down forks " << left_fork << " and " << right_fork << "." << std::endl;// 通知左右哲学家可以尝试拿筷子conditions[left_fork].notify_all();conditions[right_fork].notify_all();}
};void philosopher(int id, DiningPhilosophers& dining) {while (true) {// 思考std::cout << "Philosopher " << id << " is thinking." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 请求筷子dining.requestForks(id);// 就餐std::cout << "Philosopher " << id << " is eating." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));// 释放筷子dining.releaseForks(id);}
}int main() {DiningPhilosophers dining;std::vector<std::thread> philosophers;// 创建哲学家线程for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {philosophers.emplace_back(philosopher, i, std::ref(dining));}// 等待所有哲学家线程完成（实际上永远不会完成）for (auto& ph : philosophers) {ph.join();}return 0;
}

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