Linux多线程编程-哲学家就餐问题详解与实现（C语言）

news2024/11/26 15:31:46

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：

思考：哲学家在没有筷子的时候，思考一段时间。
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：

状态记录：每位哲学家有三种状态：思考、饥饿和进餐。
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。
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。

第 i 个哲学家的左邻右舍，则由宏 LEFT 和 RIGHT 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：

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。
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。
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：

#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;
}