C语言多线程之“哲学家就餐”问题

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。他们共用一张圆桌，分别坐在五张椅子上。在圆桌上有五个碗和五支筷子，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，只有在他拿到两支筷子时才能进餐。进餐完毕，放下筷子又继续思考。

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饭前，不会放下手中拿到的筷子。

哲学家进餐问题是一大类并发控制问题的典型例子，涉及信号量机制、以及死锁等操作系统中关键问题的应用。

最直接的解决办法（引起死锁）

最直接的解决办法是5只筷子分别设置为初始值为1的互斥信号量。这样可以保证不会有相邻的哲学家同时进餐，但是若5位哲学家同时拿起左筷子，都会因为拿不到右筷子而引起死锁。

优化解决办法

解决办法有很多种：

（1）通过互斥信号量 mutex 对哲学家进餐之前取左侧和右侧筷子的操作进行保护，可以防止死锁的出现。（当第i个哲学家将左右筷子都拿到了才允许其他哲学家拿筷子）

如下面的运行截图可以说明。哲学家4在拿起左筷子与右筷子中间没有其他的哲学家拿任何一个筷子，虽然他们也饿了，虽然他们要拿的筷子可能并没有被占用，所以这个会造成资源（筷子）得不到有效的利用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define N 5

sem_t chopsticks[N];//设置5种信号量，有5种不同类型的资源，每一种有1个,这样便于理解，因为每个哲学家需要的资源不同
sem_t r;//最多允许有r(4)个哲学家同时拿起左筷子

int philosophers[N] = {0, 1, 2, 3, 4};//代表5个哲学家的编号

void delay (int len) {
	int i = rand() % len;
	int x;
	while (i > 0) {
		x = rand() % len;
		while (x > 0) {
			x--;
		}
		i--;
	}
}

void philosopher (void* arg) {
	int i = *(int *)arg;
	int left = i;//左筷子的编号和哲学家的编号相同
	int right = (i + 1) % N;//右筷子的编号为哲学家编号+1
	while (1) {
		printf("哲学家%d正在思考问题\n", i);
		delay(50000);
		
		printf("哲学家%d饿了\n", i);
		sem_wait(&r);//如果前4个哲学家同时拿起左筷子，第五个不能同时拿起左筷子，保证至少有一位哲学家能吃到饭，解决（死锁状态）。
		sem_wait(&chopsticks[left]);//此时这个哲学家左筷子的信号量-1之后>=0时，表示能继续执行。
		printf("哲学家%d拿起了%d号筷子,现在只有一支筷子,不能进餐\n", i, left);
		sem_wait(&chopsticks[right]);
		printf("哲学家%d拿起了%d号筷子, 现在有两支筷子,开始进餐\n", i, right);
		delay(50000);
		sem_post(&chopsticks[left]);
		printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, left);
		sem_post(&chopsticks[right]);
		printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, right);
		sem_post(&r);
	}
}

int main (int argc, char **argv) {
	srand(time(NULL));
	pthread_t philo[N];
	
	//信号量初始化
	for (int i=0; i<N; i++) {
		sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);
	}
	sem_init(&r, 0, 4);
	
	//创建线程
	for (int i=0; i<N; i++) {
		pthread_create(&philo[i], NULL, (void *)philosopher, &philosophers[i]);
	}
	
	//挂起线程
	for (int i=0; i<N; i++) {
		pthread_join(philo[i], NULL);
	}
	
	//销毁信号量
	for (int i=0; i<N; i++) {
		sem_destroy(&chopsticks[i]);
	}
	sem_destroy(&r);

	return 0;
}

（2）规定奇数号哲学家先拿左筷子再拿右筷子，而偶数号哲学家相反。所以将是 2,3 号哲学家竞争 3 号筷子，4,5 号哲学家竞争 5 号筷子。1 号哲学家不需要竞争。最后总会有一个哲学家能获得两支筷子而进餐。

例如下面的运行结果截图可以说明。当哲学家4放下4号筷子时，4号筷子被释放，3号哲学家得到4号筷子（右筷子）进行进餐。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define N 5

sem_t chopsticks[N];//设置5种信号量，有5种不同类型的资源，每一种有1个,这样便于理解，因为每个哲学家需要的资源不同

int philosophers[N] = {0, 1, 2, 3, 4};//代表5个哲学家的编号

void delay (int len) {
	int i = rand() % len;
	int x;
	while (i > 0) {
		x = rand() % len;
		while (x > 0) {
			x--;
		}
		i--;
	}
}

void philosopher (void* arg) {
	int i = *(int *)arg;
	int left = i;//左筷子的编号和哲学家的编号相同
	int right = (i + 1) % N;//右筷子的编号为哲学家编号+1
	while (1) {
		if(i % 2 == 0){
		printf("哲学家%d正在思考问题\n", i);
		delay(50000);
		
		printf("哲学家%d饿了\n", i);
		sem_wait(&chopsticks[right]);//此时这个哲学家左筷子的信号量-1之后>=0时，表示能继续执行。
		printf("哲学家%d拿起了%d号筷子,现在只有一支筷子,不能进餐\n", i, right);
		sem_wait(&chopsticks[left]);
		printf("哲学家%d拿起了%d号筷子, 现在有两支筷子,开始进餐\n", i, left);
		delay(50000);
		sem_post(&chopsticks[left]);
		printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, left);
		sem_post(&chopsticks[right]);
		printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, right);
		}

		else{
			printf("哲学家%d正在思考问题\n", i);
			delay(50000);
			
			printf("哲学家%d饿了\n", i);
			sem_wait(&chopsticks[left]);//此时这个哲学家左筷子的信号量-1之后>=0时，表示能继续执行。
			printf("哲学家%d拿起了%d号筷子,现在只有一支筷子,不能进餐\n", i, left);
			sem_wait(&chopsticks[right]);
			printf("哲学家%d拿起了%d号筷子, 现在有两支筷子,开始进餐\n", i, right);
			delay(50000);
			sem_post(&chopsticks[left]);
			printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, left);
			sem_post(&chopsticks[right]);
			printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, right);
		}
	}
}

int main (int argc, char **argv) {
	srand(time(NULL));
	pthread_t philo[N];
	
	//信号量初始化
	for (int i=0; i<N; i++) {
		sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);
	}
	
	//创建线程
	for (int i=0; i<N; i++) {
		pthread_create(&philo[i], NULL, (void *)philosopher, &philosophers[i]);
	}
	
	//挂起线程
	for (int i=0; i<N; i++) {
		pthread_join(philo[i], NULL);
	}
	
	//销毁信号量
	for (int i=0; i<N; i++) {
		sem_destroy(&chopsticks[i]);
	}

	return 0;
}

（3）至多只允许四位哲学家同时去拿左筷子，最终能保证至少有一位哲学家能进餐，并在用完后释放两只筷子供他人使用。此方法能使资源得到有效的利用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define N 5

sem_t chopsticks[N];//设置5种信号量，有5种不同类型的资源，每一种有1个,这样便于理解，因为每个哲学家需要的资源不同
sem_t r;//最多允许有r(4)个哲学家同时拿起左筷子

int philosophers[N] = {0, 1, 2, 3, 4};//代表5个哲学家的编号

void delay (int len) {
	int i = rand() % len;
	int x;
	while (i > 0) {
		x = rand() % len;
		while (x > 0) {
			x--;
		}
		i--;
	}
}

void philosopher (void* arg) {
	int i = *(int *)arg;
	int left = i;//左筷子的编号和哲学家的编号相同
	int right = (i + 1) % N;//右筷子的编号为哲学家编号+1
	while (1) {
		printf("哲学家%d正在思考问题\n", i);
		delay(50000);
		
		printf("哲学家%d饿了\n", i);
		sem_wait(&r);//如果前4个哲学家同时拿起左筷子，第五个不能同时拿起左筷子，保证至少有一位哲学家能吃到饭，解决（死锁状态）。
		sem_wait(&chopsticks[left]);//此时这个哲学家左筷子的信号量-1之后>=0时，表示能继续执行。
		printf("哲学家%d拿起了%d号筷子,现在只有一支筷子,不能进餐\n", i, left);
		sem_wait(&chopsticks[right]);
		printf("哲学家%d拿起了%d号筷子, 现在有两支筷子,开始进餐\n", i, right);
		delay(50000);
		sem_post(&chopsticks[left]);
		printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, left);
		sem_post(&chopsticks[right]);
		printf("哲学家%d放下了%d号筷子\n", i, right);
		sem_post(&r);
	}
}

int main (int argc, char **argv) {
	srand(time(NULL));
	pthread_t philo[N];
	
	//信号量初始化
	for (int i=0; i<N; i++) {
		sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);
	}
	sem_init(&r, 0, 4);
	
	//创建线程
	for (int i=0; i<N; i++) {
		pthread_create(&philo[i], NULL, (void *)philosopher, &philosophers[i]);
	}
	
	//挂起线程
	for (int i=0; i<N; i++) {
		pthread_join(philo[i], NULL);
	}
	
	//销毁信号量
	for (int i=0; i<N; i++) {
		sem_destroy(&chopsticks[i]);
	}
	sem_destroy(&r);

	return 0;
}