0 问题描述

张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子，桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿时，才试图拿起左、右两根筷子（一根一根地拿起）。如果筷子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。

此时每个哲学家都必须持有两个临界资源，才能吃饭。

1. 关系分析。系统中有5个哲学家进程，5位哲学家与左右邻居对其中间筷子的访问是互斥关系。
2. 整理思路。这个问题中只有互斥关系，但与之前遇到的问题不同的事，每个哲学家进程需要同时持有两个临界资源才能开始吃饭。如何避免临界资源分配不当造成的死锁现象，是哲学家问题的精髓。
3. 信号量设置。定义互斥信号量数组$chopstick[5]=1,1,1,1,1$用于实现对5个筷子的互斥访问。并对哲学家按$04$编号，哲学家ⅰ左边的筷子编号为$i$，右边的筷子编号为$(i+1)\%5$。

Code

semaphore chopstick[5] = {1, 1, 1, 1, 1};
Pi ()
{
	while (1)
	{
		P(chopstick[i]);//拿左
		P(chopstick[(i + 1) % 5]); //拿右
		//吃饭...
		V(chopstick[i]);//放左
		V(chopstick[(i + 1) % 5]);//放右
		//思考...
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

如果5个哲学家并发地拿起了自己左手边的筷子，那么当想拿起自己右手边的筷子的时候，发现都被阻塞了，每位哲学家循环等待右边的人放下筷子（阻塞），发生“死锁”，所以以上这种代码是不能解决问题的。

1 实现

如何防止死锁的发生呢？

1. 可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的。
2. 要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子，另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况。
3. 仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。

//情况3的code
semaphore chopstick[5] = {1, 1, 1, 1, 1};
semaphore mutex = 1;//互斥地取筷子

Pi () //i号哲学家的进程
{
	while (1)
	{
		P(mutex);
		P(chopstick[i]);//拿左
		P(chopstick[(i + 1) % 5]); //拿右
		V(mutex);
		//吃饭...
		V(chopstick[i]);//放左
		V(chopstick[(i + 1) % 5]);//放右
		//思考...
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

因此这种方法并不能保证只有两边的筷子都可用时，才允许哲学家拿起筷子。
举个例子：
此时4号右边的筷子不可用，但4号仍然会先拿起左边的筷子。
更准确的说法应该是：各哲学家拿筷子这件事必须互斥的执行。这就保证了即使一个哲学家在拿筷子拿到一半时被阻塞，也不会有别的哲学家会继续尝试拿筷子。这样的话，当前正在吃饭的哲学家放下筷子后，被阻塞的哲学家就可以获得等待的筷子了。

2 总结

哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁。
这些进程之间只存在互斥关系，但是与之前接触到的互斥关系不同的是，每个进程都需要同时持有两个临界资源，因此就有“死锁”问题的隐患。如果在考试中遇到了一个进程需要同时持有多个临界资源的情况，应该参考哲学家问题的思想，分析题中给出的进程之间是否会发生循环等待，是否会发生死锁。可以参考哲学家就餐问题解决死锁的三种思路。