用C语言实现哲学家进餐的问题

　　设有5个哲学家,共享一张放油把椅子的桌子,每人分得一吧椅子.但是桌子上总共执友支筷子,在每个人两边分开各放一支.哲学家只有在肚子饥饿时才试图分两次从两边拾起筷子就餐.

　　就餐条件是:

　　1)哲学家想吃饭时,先提出吃饭的要求;

　　2)提出吃饭要求,并拿到支筷子后,方可吃饭;

　　3)如果筷子已被他人获得,则必须等待该人吃完饭之后才能获取该筷子;

　　4)任一哲学家在自己未拿到2支筷子吃饭之前,决不放下手中的筷子;

　　5)刚开始就餐时,只允许2个哲学家请求吃饭.

　　试问:

　　1)描述一个保证不会出现两个邻座同时要求吃饭的算法;

　　2)描述一个既没有两邻座同时吃饭,又没有人饿死的算法;

　　3)在什么情况下,5个哲学家全都吃不上饭?

　　哲学家进餐问题是典型的同步问题.它是由Dijkstra提出并解决的.该问题是描述有五个哲学家,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,平时一个哲学家进行思考,饥饿时便试图取用其左右岁靠近他的筷子,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,筷子是临界资源,在一段时间只允许一个哲学家使用.因此,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 semaphore;

　　所有信号量被初始化为1,第i个哲学家的活动可描述为:

　　repeat

　　wait(chopstick);

　　wait(chopstick[(i+1) mod 5]);

　　...

　　eat;

　　...

　　signal(chopstick);

　　signal(chopstick[(i+1) mod 5]);

　　...

　　think;

　　until false;

　　在以上描述中,哲学家饥饿时,总是先去拿他左边的筷子,即执行wait(chopstick);成功后,再去拿他右边的筷子,即执行wait(chopstick[(i+1) mod 5]);,再成功后便可进餐.进餐完毕,又先放下他左边的筷子,然后放下他右边的筷子.虽然,上述解法可保证不会有两个相临的哲学家同时进餐,但引起死锁是可能的.假如五个哲学家同时饥饿而各自拿起右边的筷子时,就会使五个信号量chopstick均为0;当他们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用以下集中解决方法:

　　(1)至多只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.

　　(2)仅当哲学家的左右两支筷子都可用时,才允许他拿起筷子进餐.

　　(3)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.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.即五个哲学家都竞争奇数号筷子,获得后,再去竞争偶数号筷子,最后总会有一个哲学家能获得两支筷子而进餐.

　　看了整整一个上午的操作系统，看得头都大了。

　　我们老师的算法的大意好像是用一个总的信号量，只有获得信号量的哲学家才可以拿筷子。

　　具体算法如下（用类c描述）：

　　#include "所有头文件"

　　#define N 5

　　#define left (i-1)%N //i的左邻号码

　　#define right (i+1)%N //i的右邻号码

　　#define think 0

　　#define hungry 1

　　#define eating 2

　　typedef int semaphore //信号量是一个特殊的整型变量

　　int state[N] //记录每个人的状态

　　semaphore mutex=1; //设置信号量

　　semaphore s[N]; //每个哲学家一个信号量

　　void philosopher(int i)

　　{

　　while(true) //无限循环

　　{

　　think;

　　take_chopstick(i);

　　eat;

　　put_chopstick(i);

　　}

　　}

　　void take_chopstick(int i)

　　{

　　p(& mutex); //对信号量的p操作

　　state=hungry;

　　test(i); //试图得到两支筷子

　　v(&mutex); //v操作

　　p(&s); //得不到筷子则阻塞

　　}

　　void put_chopstick(int i)

　　{

　　p(& mutex);

　　state=think; //进餐结束

　　test(left); //看左邻是否进餐

　　test(right); //再看右邻

　　v(&mutex);

　　}

　　void test(int i)

　　{

　　if（state==hungry&&左邻没进餐&&右邻没进餐）

　　{

　　state=eating;

　　v(&s);

　　}

　　}