哲学家就餐问题共23页
哲学家就餐问题与银行家算法
问题解决
方法一
第一种解决死锁问题的办法就是同时只允许四位哲学家同时拿起同一 边的筷子，这样就能保证一定会有一位哲学家能够拿起两根筷子完成 进食并释放资源，供其他哲学家使用，从而实现永动，避免了死锁。 举个最简单的栗子，假定0~3号哲学家已经拿起了他左边的筷子，然后 当4号哲学家企图去拿他左边的筷子的时候，将该哲学家的线程锁住， 使其拿不到其左边的筷子，然后其左边的筷子就可以被3号哲学家拿到， 然后3号哲学家进餐，释放筷子，然后更多的哲学家拿到筷子并进餐。 如何才能实现当4号哲学家企图拿起其左边的筷子的时候将该哲学家 的线程阻塞？这个时候就要用到该问题的提出者迪杰斯特拉（这货还 提出了迪杰斯特拉最短路径算法，著名的银行家算法也是他发明的） 提出的信号量机制。因为同时只允许有四位哲学家同时拿起左筷子， 因此我们可以设置一个信号量r，使其初始值为4，然后每当一位哲学 家企图去拿起他左边的筷子的时候，先对信号量做一次P操作，从而当 第五位哲学家企图去拿做筷子的时候，对r做一次P操作，r = -1，由r < 0得第五位哲学家的线程被阻塞，从而不能拿起左筷子，因此也就避免 了死锁问题。然后当哲学家放下他左边的筷子的时候，就对r做一次V 操作。
死锁，但是处于不安全状态
进程同步模拟设计——哲学家就餐问题
课程设计题目进程同步模拟设计—哲学家就餐学院计算机科学与技术专业计算机科学与技术班级计算机姓名指导教师20011 年 1 月19 日需求分析1.1问题描述有五个哲学家围坐在一圆桌旁，桌中央有一盘通心粉，每人面前有一只空盘子，每两人之间放一只筷子，即共5只筷子。
每个哲学家的行为是思考和进餐。
为了进餐，每个哲学家必须拿到两只筷子，并且每个人只能直接从自己的左边或右边去取筷子。
思考时则同时将两支筷子放回原处（此图中以叉子代表筷子）规则：只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭；如果筷子已经在他人手上，则该哲学家必须等到他人吃完之后才能拿到筷子；任何一个哲学家在自己没有拿到两只筷子吃饭之前，决不放下自己手中的筷子。
由此出现的问题：可能出现死锁问题，因为当五个哲学家都饥饿时，都拿着一支筷子，这样就可能五个哲学家都用不上餐1.2问题分析该问题可用记录型信号量或者是AND型信号量解决。
记录型信号量解决：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只筷子，由这五个信号量组成信号量数组。
当哲学家饥饿时总是先拿其左边的筷子，成功后，再去拿右边的筷子，又成功后方可就餐。
进餐完，又先放下他左边的筷子，再放下右边筷子。
这个算法可以保证不会有两个相邻的哲学家同时就餐，但有可能引起死锁。
AND型信号量解决：在哲学家就餐过程中，要求每个哲学家先获得两个临界资源后方能就餐，这在本质上就是AND同步问题，故用AND信号量机制可获得最简洁的解法。
1.3解决方法对于死锁问题可采取这样的几种解决方法：(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可以进餐，最终总会释放出他所用过的两只筷子，从而可使更多的哲学家进餐；(2)仅当左右两只筷子均可用时，才允许哲学家拿起筷子就餐(3)规定奇数号哲学家先拿起右边筷子，然后再去拿左边筷子，而偶数号哲学家则相反。
(4)把筷子顺序编号 fk0, fk1, fk2, fk3, fk4，给每个哲学家分配筷子时，必须依从小号到大号（或者相反顺序）进行。
计算机导论哲学家共餐问题
哲学家共餐问题
●问题描述
1.哲学家的的生活除了吃面条就是思考问题。
2.吃面条的时候需要左、右手各拿起一根筷子。
3.吃完后将筷子放回原处，继续思考问题。
●一个哲学家的活动进程表示
1.思考问题。
2.饿了停止思考，左手拿一只筷子（拿不到就等）。
3.右手拿一只筷子（拿不到就等）。
4.进餐。
5.放下右手筷子。
6.放下左手筷子。
7.重新回到思考问题状态。
●可能出现的问题
1.当所有的哲学家都同时放下筷子时，则所有的哲学家都将拿不到右手的筷子，并处
于等待状态，那么哲学家都将无法进餐，最终饿死。
2.经哲学家的活动进程修改一下，变为右手的筷子拿不到时，就放下左手的筷子。
3.可能在同一个时间，所有的哲学家都拿起了左手的筷子，则自然拿不到右手的筷子，
于是都同时。
哲学家进餐问题
哲学家进餐问题2007/05/16 12:36 P.M./********************philosophers.cpp哲学家进餐问题在多线程中如何避免死锁。
问题描述：有五位哲学家围绕着餐桌坐，每一位哲学家要么思考要么等待，要么吃饭。
为了吃饭，哲学家必须拿起两双筷子（分别放于左右两端）不幸的是，筷子的数量和哲学家相等，所以每只筷子必须由两位哲学家共享下面是一种有问题的解法，因为在某个时刻，五个哲学家同时拿起五根左手边的筷子，则它们会在同一时候对待右手边的筷子，这样会陷入死锁，但是我测试了，这样的几率并不高经过几个小时，还没有出现。
但是我们可以肯定，理论上是肯定会出现死锁的，我们不能老是靠运气办事，怎么解决这个问题呢留给下一步的学习吧要编译此文件请用多线程版的c++库********************/#include <windows.h>#include <iostream>#include <process.h>#include <cstdlib>#include <ctime>using namespace std;unsigned int __stdcall philosopher(void *);void thinking(int);void eating(int);void wait_to_eat(int);void outline(int ,const char *);//全局变量CRITICAL_SECTION crout;//这个变量用来保证输出时不会竞争CRITICAL_SECTION fork[5];//定义五个临界变量，代表五更筷子int main(int argc,char *argv[]){void * hthread[5];int i;unsigned int threadid[5];int arg[5];int count = 5;unsigned long retval;InitializeCriticalSection(&crout);//初始化临界变量for(i=0;i<5;i++){InitializeCriticalSection(fork + i);}//创建五个哲学家for(i = 0; i<5;i++){arg[i] = i;hthread[i] = (void *)_beginthreadex(NULL,0,philosopher,(void *)(arg + i),0,threadid+i);if((int)hthread[i] == -1)//如果线程创建失败返回-1{cerr << "error while create thread " << i <<endl;cerr << "error code : "<< GetLastError() <<endl;}}//等待所有线程结束retval = WaitForMultipleObjects(5,hthread,true,INFINITE);//等待多个线程if(retval == WAIT_FAILED){cerr<< "wait error,error code: "<<GetLastError()<<endl;}for(i = 0; i<5;i++){if(CloseHandle(hthread[i]) == false)//关闭句柄{cerr << "error while close thread " <<i<<endl;cerr << "error code: "<<GetLastError()<<endl;}}return 0;}/*******************哲学家的行为吃饭，等待，思考*******************/unsigned int __stdcall philosopher(void *k){int n = ((int *)k)[0];outline(n," is in!");srand(time(NULL));while(true){thinking(n);wait_to_eat(n);eating(n);}outline(n," is out!");return n;}/*************思考随机一段时间*************/void thinking(int k){outline(k," is thinking...");Sleep((rand()%1000) *5);}/*************吃饭随机一段时间*************/void eating(int k){outline(k," is eating...");Sleep((rand()%1000) *5);LeaveCriticalSection(fork + (k+1)%5);//放下右边的筷子//outline(k," give left");LeaveCriticalSection(fork + k);//放下左边的筷子//outline(k," give right");}/***************等待吃饭需要同时获得他两边的筷子***************/void wait_to_eat(int k){outline(k," is waiting...");EnterCriticalSection(fork + k);//获得左边的筷子//outline(k," take left");EnterCriticalSection(fork + (k + 1)%5);//获得右边的筷子//outline(k," take right");}/********************//没有竞争条件的输出函数********************/void outline(int who,const char *str){EnterCriticalSection(&crout);cout<<"process "<<who<<str<<endl;LeaveCriticalSection(&crout);}/********************philosophers.cpp哲学家进餐问题在多线程中如何避免死锁。
哲学家进餐问题
哲学家进餐问题1.问题描述：哲学家进餐问题描述有五个哲学家，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，平时哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐，该哲学家进餐完毕后，放下左右两只筷子又继续思考。
约束条件(1)只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭。
(2)如果筷子已被别人拿走，则必须等别人吃完之后才能拿到筷子。
(3)任一哲学家在自己未拿到两只筷子吃完饭前，不会放下手中已经拿到的筷子。
2.求解方法(1).信号量的设置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访问，可以用一个信号量表示筷子，由这五个信号量构成信号量数组。
semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};while(true){/*当哲学家饥饿时，总是先拿左边的筷子，再拿右边的筷子*/wait(chopstick[i]);wait(chopstick[(i+1)%5]);// 吃饭/*当哲学家进餐完成后，总是先放下左边的筷子，再放下右边的筷子*/signal(chopstick[i]);signal(chopstick[(i+1)%5]);}上述的代码可以保证不会有两个相邻的哲学家同时进餐，但却可能引起死锁的情况。
假如五位哲学家同时饥饿而都拿起的左边的筷子，就会使五个信号量chopstick都为0，当他们试图去拿右手边的筷子时，都将无筷子而陷入无限期的等待。
(2)避免死锁策略一原理：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。
定义信号量count，只允许4个哲学家同时进餐，这样就能保证至少有一个哲学家可以就餐。
semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1};semaphore count=4; // 设置一个count，最多有四个哲学家可以进来void philosopher(int i){while(true){think();wait(count); //请求进入房间进餐 当count为0时 不能允许哲学家再进来了wait(chopstick[i]); //请求左手边的筷子wait(chopstick[(i+1)%5]); //请求右手边的筷子eat();signal(chopstick[i]); //释放左手边的筷子signal(chopstick[(i+1)%5]); //释放右手边的筷子signal(count); //退出房间释放信号量}}策略二原理：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。
哲学家进餐问题
05611 贺美琛 冯文中
问题描述
设有五个哲学家,共用一张放有五把椅子 的餐桌,每人坐在一把椅子上,桌子上有五个 碗和五只叉子,每人两边各放一只叉子。哲学 家们是交替思考和进餐,饥饿时便试图取其左 右最靠近他的叉子。
(1) 只有拿到两只叉子时,哲学家才能吃饭。 (2) 如果叉子已被别人拿走,则必须等别人吃完之后才能拿 到叉子。
算法 C思想：
仅当哲学家的左右两支叉子都可用时, 才允许他拿起叉子进餐。
方法1：利用AND 型信号量机制实现 方法2：利用信号量mutex的保护机制实现
方法1
在一个原语中，将一段代码同时需 要的多个临界资源，要么全部分配给它， 要么一个都不分配，因此不会出现死锁 的情形。当某些资源不够时阻塞调用进 程;由于等待队列的存在，使得对资源的 请求满足FIFO 的要求，因此不会出现饥 饿的情形。
算法改善：
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叉子,从而可使更多 的哲学家进餐。
改进后的算法A
semaphore fork[5]={1，1，1，1，1}; semaphore room=4; void philosopher(int i) { while(true) { think(); wait(room); //请求进入房间进餐 wait(fork[i]); //请求左手边的叉子 wait(fork[(i+1)%5]); //请求右手边的叉子 eat(); signal(fork[(i+1)%5]); //释放右手边的叉子 signal(fork[i]); //释放左手边的叉子 signal(room); //退出房间释放信号量room } }
哲学家就餐
利用记录型信号量解决：
• 进分析可知，放在桌子上 的筷子是临界资源，在一 段时间内允许一位哲学家 使用。为了实现对筷子的 互斥使用，可以用一个信 号量表示一只筷子，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; 所有信号量均被初始化为1 ，第i 位哲学家的活动课描述为： • • • • • • • • • • • repeat: wait(chopstick[i]); Wait(chopstick[(i+1)mod5); … eat; … signal(chopstick[i]); signal(chopstick([i+1]mod5); … Think; until false
哲学家用餐
问题：
• 哲学家就餐问题中，一组哲学家围坐在一个圆 桌旁，每个哲学家的左边都只有一只筷子（当 然他的右边也有一只筷子，但是这是他右边哲 学家的左边的筷子），他们吃完了就思考，思 考了一会就会饿，饿了就想吃，然而，为了吃 饭，他们必须获得左边和右边的筷子进餐完毕， 放下筷子继续思考。
五个人五只筷子该如何进行用餐啊
(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1个哲 学家能获得两支筷子而进餐.其伪码为：
• • • • • • • • • • • Semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1}; void philosopher(int i) { While(true) { Think(); If(i%2==0) //偶数号哲学家， 先右后左 { Wait(chopstick[i+1]mod5); Wait(chopsticl[i]); eat(); • • • • • • • • • • • • signal(chopstick[(i+1)]mod5); singal(chopstick[i]); } else { Wait(chopsticl[i]); Wait(chopstick[i+1]mod5); eat(); singal(chopstick[i]); signal(chopstick[(i+1)]mod5); } }
哲学家就餐问题
哲学家就餐问题实验⼀⼀、实验名称：哲学家就餐问题的实现⼆、实验学时：2三、实验内容和⽬的：实验⽬的：实现哲学家就餐问题，要求不能出现死锁。
通过本实验熟悉Linux系统的基本环境，了解Linux下进程和线程的实现。
实验内容：在Unix系统下实现教材2.4.2节中所描述的哲学家就餐问题。
要求显⽰出每个哲学家的⼯作状态，如吃饭，思考。
连续运⾏30次以上都未出现死锁现象。
四、实验原理：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。
五、实验器材（设备、元器件）（1）学⽣每⼈⼀台PC，安装WindowsXP/2000操作系统。
（2）局域⽹络环境。
（3）个⼈PC安装VMware虚拟机和Ubuntu系统。
六、实验内容：（⼀）熟悉Ubuntu系统下的多线程编程。
（⼆）实现哲学家就餐问题1. 算法思想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。
即五位哲学家都⽣竞争奇数号筷⼦，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。
2. 流程图3. 程序代码（重要代码请注释）#include#include#include#include#include#define NOC 5 //number of chopstic#define NOP 5 //number of philosopher sem_t chopstic[NOC]; //semaphoreint flag[5]; //philosopher's statusvoid *eat(int i){int position;int temp = 0;int j = (i+1)%NOC;position = i%2;while(1){if(position == 0){ //odd take left first sem_wait(&chopstic[i]);sem_wait(&chopstic[j]);printf("philosopher%d get %d\n", i, j);flag[i] = 1; //philosopher is eatingprintf("waitting:"); //print others' statuswhile(temp < 5){if(!flag[temp])printf("philosopher%d\t", temp);temp++;}temp = 0;printf("\n");printf("eating:");// print others' statuswhile(temp < 5){if(flag[temp])printf("philosopher%d\t", temp);temp++;}printf("\n\n");temp = 0;//printf("\nphilosopher%d is eating\n\n", i); sleep(2);flag[i] = 0;printf("philosopher%d put %d\n", i, i); sem_post(&chopstic[i]); printf("philosopher%d put %d\n", i, j); sem_post(&chopstic[j]); }else{ //even take right firstsem_wait(&chopstic[j]);printf("philosopher%d get %d\n", i, j);sem_wait(&chopstic[i]);printf("philosopher%d get %d\n", i, i);flag[i] = 1;printf("waitting:");while(temp < 5){if(!flag[temp])printf("philosopher%d\t", temp);}temp = 0;printf("\n");printf("eating:");while(temp < 5){if(flag[temp])printf("philosopher%d\t", temp);temp++;printf("\n\n");temp = 0;//printf("\nphilosopher%d is eating\n\n", i);sleep(2);flag[i] = 0;printf("philosopher%d put %d\n", i, j);sem_post(&chopstic[j]);printf("philosopher%d put %d\n", i, i);sem_post(&chopstic[i]);}}}int main(void){int i = 0;int error;pthread_t philosopher[NOP];//init semwhile(i < 5){flag[i] = 0;sem_init(&chopstic[i], 0, 1);i++;}i = 0;//create threadwhile(i < 5){error = pthread_create(&philosopher[i], NULL, (void *)eat, (void *)i);printf("error:create thread failed!!\n");exit(0);}i++;}//destroy threadwhile(i < 5){pthread_join(philosopher[i], NULL);i++;}i = 0;//destroy semwhile(i < 5){sem_destroy(&chopstic[i]);i++;}return 0;}七、实验及结果分析：运⾏结果：udbwxfso@ubuntu:~/Desktop/sy2$ gcc gphilosopher.c -pthread udbwxfso@ubuntu:~/Desktop/sy2$ ./a.out philosopher4 get 4philosopher4 get 0waitting:philosopher0 philosopher1 philosopher2 philosopher3 eating:philosopher4philosopher2 get 2philosopher2 get 3waitting:philosopher0 philosopher1 philosopher3eating:philosopher2 philosopher4philosopher4 put 4philosopher4 put 0philosopher4 get 4philosopher4 get 0waitting:philosopher0 philosopher1 philosopher3eating:philosopher2 philosopher4philosopher2 put 3philosopher2 get 2philosopher2 get 3waitting:philosopher0 philosopher1 philosopher3eating:philosopher2 philosopher4philosopher4 put 4philosopher3 get 4philosopher4 put 0philosopher0 get 0philosopher0 get 1waitting:philosopher1 philosopher3 philosopher4eating:philosopher0 philosopher2philosopher2 put 2philosopher2 put 3philosopher2 get 2philosopher2 get 3waitting:philosopher1 philosopher3 philosopher4eating:philosopher0 philosopher2philosopher2 put 2philosopher2 put 3philosopher2 get 2philosopher2 get 3waitting:philosopher1 philosopher3 philosopher4eating:philosopher0 philosopher2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，⽤⼀个信号量表⽰⼀只筷⼦，由这五个信号量组成信号量数组。