Linux多线程编程-哲学家就餐问题详解与实现(C语言)

在哲学家就餐问题中,假设有五位哲学家围坐在圆桌前,每位哲学家需要进行思考和进餐两种活动。他们的思考不需要任何资源,但进餐需要使用两根筷子(左右两侧各一根)。筷子是共享资源,哲学家们在进行进餐时需要竞争筷子,而且不能出现死锁情况,即每位哲学家都能在有可能的情况下进餐。

问题示例:

假设有五位哲学家,编号为 0 到 4,围坐在圆桌周围,每位哲学家面前有一根筷子。他们的行为可以描述如下:

  1. 思考:哲学家在没有筷子的时候,思考一段时间。

  2. 进餐:哲学家只有同时拿到左右两边的筷子才能进餐,进餐完成后放下筷子继续思考。

解决方案概述:

  1. 状态记录:每位哲学家有三种状态:思考、饥饿和进餐。
  2. 互斥保护:使用互斥锁保护对状态的访问,确保状态变化的原子性。
  3. 信号量:使用信号量控制每根筷子的使用,确保每位哲学家能同时拿到左右两根筷子。

我们用一个数组 state 来记录每一位哲学家的三个状态,分别是在进餐状态、思考状态、饥饿状态(正在试图拿叉子)。

那么,一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时,才可以进入进餐状态。

i 个哲学家的左邻右舍,则由宏 LEFTRIGHT 定义:

  • LEFT : ( i + 5 - 1 ) % 5
  • RIGHT : ( i + 1 ) % 5

比如 i 为 2,则 LEFT 为 1,RIGHT 为 3。

解决步骤:

  1. 定义全局变量和初始化

    • 定义哲学家状态数组 state[],互斥锁 pthread_mutex_t mutex 和信号量数组 sem_t chopsticks[]
    • 初始化互斥锁和每个筷子的信号量。
  2. 哲学家线程函数设计

    • 哲学家线程循环执行思考和进餐过程。
    • 在饥饿状态时,试图获取两侧筷子,获取成功则进餐,否则等待。
    • 进餐后释放筷子,继续思考。
  3. 获取和释放筷子的操作

    • 使用互斥锁保护对状态数组的修改,确保线程安全。
    • 利用信号量控制筷子的获取和释放,避免死锁和资源争夺。

示例代码:

cpp 复制代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>

#define NUM_PHILOSOPHERS 5
#define THINKING 0
#define HUNGRY 1
#define EATING 2

int state[NUM_PHILOSOPHERS];  // 哲学家的状态数组
pthread_mutex_t mutex;  // 互斥锁,保护对状态数组的访问
sem_t chopsticks[NUM_PHILOSOPHERS];  // 每根筷子的信号量数组

void *philosopher(void *arg) {
    int id = *((int *)arg);
    
    while (1) {
        // 思考
        printf("哲学家 %d 正在思考。\n", id);
        sleep(rand() % 3 + 1);  // 模拟思考时间
        
        // 进入饥饿状态
        printf("哲学家 %d 饿了。\n", id);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        state[id] = HUNGRY;
        printf("哲学家 %d 尝试拿起筷子。\n", id);
        test(id);  // 尝试获取两侧的筷子
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_wait(&chopsticks[id]);  // 获取筷子,如果没有则阻塞
        
        // 进餐
        printf("哲学家 %d 开始进餐。\n", id);
        sleep(rand() % 3 + 1);  // 模拟进餐时间
        
        // 放下筷子
        sem_post(&chopsticks[id]);  // 放下左侧筷子
        sem_post(&chopsticks[(id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS]);  // 放下右侧筷子
        printf("哲学家 %d 放下筷子,开始思考。\n", id);
    }
    
    pthread_exit(NULL);
}

void test(int id) {
    if (state[id] == HUNGRY && state[(id + NUM_PHILOSOPHERS - 1) % NUM_PHILOSOPHERS] != EATING
        && state[(id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS] != EATING) {
        state[id] = EATING;
        sem_post(&chopsticks[id]);  // 左侧筷子
        sem_post(&chopsticks[(id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS]);  // 右侧筷子
    }
}

int main() {
    pthread_t philosophers[NUM_PHILOSOPHERS];
    int ids[NUM_PHILOSOPHERS];
    
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    // 初始化每根筷子的信号量
    for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {
        sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);  // 初始值为1,表示筷子可用
    }
    
    // 创建哲学家线程
    for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {
        ids[i] = i;
        pthread_create(&philosophers[i], NULL, philosopher, (void *)&ids[i]);
    }
    
    // 等待线程结束
    for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {
        pthread_join(philosophers[i], NULL);
    }
    
    // 清理资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {
        sem_destroy(&chopsticks[i]);
    }
    
    return 0;
}

解释和步骤:

1. 全局变量和初始化
  • state[] 数组:每个元素表示一个哲学家的状态,初始为思考状态。
  • pthread_mutex_t mutex :互斥锁,保护对 state[] 数组的访问。
  • sem_t chopsticks[NUM_PHILOSOPHERS] 数组:每根筷子对应一个信号量,初始为可用状态。
2. 哲学家线程函数 philosopher
  • 思考阶段:每个哲学家在思考一段时间后进入饥饿状态。
  • 饥饿阶段:哲学家试图获取左右两根筷子,如果成功则进入进餐状态,否则等待。
  • 进餐阶段:成功获取筷子后进行进餐,一段时间后释放筷子,回到思考阶段。
3. test 函数
  • 检查能否进入进餐状态:检查当前哲学家及其左右邻居的状态,如果都是饥饿状态且两侧筷子可用,则将当前哲学家状态设置为进餐,并释放左右两根筷子。
4. 主函数 main
  • 初始化:初始化互斥锁和每根筷子的信号量。
  • 创建线程:创建并启动每个哲学家的线程。
  • 等待线程结束:主线程等待所有哲学家线程执行完毕。
  • 清理资源:销毁互斥锁和每根筷子的信号量。
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