进程同步问题之哲学家进餐

哲学家进餐问题:
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。

利用记录型信号量解决哲学家进餐问题:
经分析可知,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使用,可以用一个信号量表示一支筷子,由这五个信号量构成信号量数组。其描述如下:

Var chopstick: array[0,…,4] of semaphor;
1
所有信号量均被初始化为 1(说明筷子是临界资源),5位哲学家都是平等的,故考虑第 i 位哲学家的活动可描述为:

repeat
wait(chopstick[i]); //申请拿起左边的筷子
wait(chopstick[(i+1)mod 5]); //申请拿去右边的筷子

eat; //吃饭

signal(chopstick[i]); //吃完饭后释放左边的筷子
signal(chopstick[(i+1)mod 5]); //吃完饭后释放右边的筷子

think; //思考
until false;
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在以上描述中,当哲学家饥饿时,总是先去拿他左边的筷子,即执行 wait(chopstick[i]);成功后,再去拿他右边的筷子,即执行 wait(chopstick[(i+1)mod 5]);又成功后便可进餐。进餐完毕,又先放下他左边的筷子,然后再放右边的筷子。

这里wait()操作与signal()操作的顺序都可以颠到,因为左边的筷子与右边的筷子是平等的。但是一旦确定了一个哲学家拿筷子的顺序,那么5个哲学家的拿筷子的顺序都要一样。

但该解法有可能引起死锁。假如五位哲学家同时饥饿而各自拿起左边的筷子时,就会使五个信号量 chopstick 均为 0; 当他们再试图去拿右边的筷子时,都将因无筷子可拿而无限期地等待。

对于这样的死锁问题,可采取以下几种解决方法:

至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子,最终能保证至少有一位哲学家能够进餐,并在用毕时能释放出他用过的两只筷子,从而使更多的哲学家能够进餐。
仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时,才允许他拿起筷子进餐。
规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子,然后再去拿右边的筷子,而偶数号哲学家则相反。按此规定,将是 1、2 号哲学家竞争 1 号筷子;3、4 号哲学家竞争 3 号筷子。即五位哲学家都先竞争奇数号筷子,获得后,再去竞争偶数号筷子,最后总会有一位哲学家能获得两只筷子而进餐。
关于程序中涉及到的wait()操作与signal()操作可以参考前一篇博客:操作系统学习-6. 信号量。

利用 AND 信号量机制解决哲学家进餐问题:
在哲学家进餐问题中,要求每个哲学家先获得两个临界资源(筷子)后方能进餐,这在本质上就是前面所介绍的 AND 同步问题,AND信号量机制简单来说就是“宁可锦上添花,也不雪中送炭”“把资源优先集中提供给一个进程”。故用 AND 信号量机制可获得最简洁的解法。描述如下:

Var chopsiick array of semaphore:=(1,1,1,1,1);
processi
repeat
think;
Sswait(chopstick[(i+1)mod 5],chopstick[i]); //一次性分配两个筷子
eat;
Ssignat(chopstick[(i+1)mod 5],chopstick[i]); //一次性释放两个筷子
until false;
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AND信号量通过原语操作来实现同时申请资源并且同时一次性释放所占用的资源。

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