用餐哲学问题

餐饮哲学家的问题是经典的同步问题，即五个哲学家围坐在一张圆桌旁，他们的工作是交替思考和吃饭。一碗面条放在桌子中央，每个哲学家用五根筷子。要吃一个哲学家，既需要左右筷子。只有当哲学家的左，右筷子都可用时，他才能进食。如果哲学家的左，右筷子都不可用，则哲学家放下他们的(左或右)筷子，然后重新开始思考。

餐饮哲学家展示了大量并发控制问题，因此这是一个经典的同步问题。

围坐在桌子旁的五位哲学家

餐饮哲学家问题-让我们用以下代码了解餐饮哲学家问题，我们使用图1作为参考，以使您准确地理解问题。五个哲学家分别表示为P0，P1，P2，P3和P4，五个筷子分别表示为C0，C1，C2，C3和C4。

Void Philosopher
 {
 while(1)
  {
   take_chopstick[i];
   take_chopstick[ (i+1) % 5] ;
   . .
   . EATING THE NOODLE
   .
   put_chopstick[i] );
   put_chopstick[ (i+1) % 5] ;
   .
   . THINKING
  }
}

让我们讨论上面的代码：

假设哲学家P0要吃饭，它将进入Philosopher()函数，并执行take_chopstick [i];通过执行此操作，在执行take_chopstick [(i + 1)％5]之后，它将保持C0筷子。通过这样做，它握住了C1筷子(因为i = 0，因此(0 + 1)％5 = 1)

同样，假设现在哲学家P1要吃东西，它将进入Philosopher()函数，并执行take_chopstick [i];通过执行此操作，在执行take_chopstick [(i + 1)％5]之后，它会握住C1筷子。通过这样做，它握住了C2筷子(因为i = 1，因此(1 + 1)％5 = 2)

但是实际上筷子C1不可用，因为它已经被哲学家P0所采用，因此上述代码会产生问题并产生竞争条件。

餐饮哲学家问题的解决方案

我们使用信号量来代表筷子，这确实可以解决餐饮哲学家问题。将使用“等待”和“信号”操作来解决“用餐哲学家”问题，可以执行摘筷子的等待操作，而可以释放筷子的信号量。

信号量：信号量是S中的一个整数变量，除初始化外，信号量仅可通过两个标准原子操作-wait和signal访问，其定义如下：

1. wait( S )
{
while( S <= 0) ;
S--;
}

2. signal( S )
{
S++;
}

从以上wait的定义中可以清楚地看出，如果S <= 0，则它将进入无限循环(由于分号；在while循环之后)。信号的工作是增加S的值。

筷子的结构是一个信号量数组，如下所示：

semaphore C[5];

最初，信号量C0，C1，C2，C3和C4的每个元素都将初始化为1，因为筷子在桌子上，任何哲学家都没有捡起。

让我们通过使用信号量操作wait和signal来修改Dining哲学家问题的上述代码，所需的代码如下所示：

void Philosopher
 {
 while(1)
  {
   Wait( take_chopstickC[i] );
   Wait( take_chopstickC[(i+1) % 5] ) ;
   . .
   . EATING THE NOODLE
   .
   Signal( put_chopstickC[i] );
   Signal( put_chopstickC[ (i+1) % 5] ) ;
   .
   . THINKING
  }
}

在上面的代码中，对take_chopstickC [i]和take_chopstickC [(i + 1)％5]执行第一次等待操作。这表明哲学家我从左和右拿起了筷子。然后执行进食函数。

一旦哲学家i进食完成，就对take_chopstickC [i]和take_chopstickC [(i + 1)％5]进行信号操作。这表明我吃过哲学家并放下了左右筷子。最后，哲学家开始重新思考。

让我们了解一下上面的代码如何解决用餐哲学家的问题?

令i = 0(初始值)，假设哲学家P0要吃东西，它将进入Philosopher()函数，并执行Wait(take_chopstickC [i]);通过这样做，它将保持C0筷子并将信号量C0减小为0 ，然后执行Wait(take_chopstickC [(i + 1)％5]);通过这样做，它握住了C1筷子(因为i = 0，因此(0 + 1)％5 = 1)并将信号量C1减小为0

同样，假设现在哲学家P1要吃饭，它将进入Philosopher()函数，并执行Wait(take_chopstickC [i]);通过这样做，它将尝试握住C1筷子，但将无法执行此操作，因为信号器C1的值已被哲学家P0设置为0，因此它将进入无限循环，因此哲学家P1不会这样做能够拿起筷子C1，而如果哲学家P2想吃饭，它将进入Philosopher()函数，并执行Wait(take_chopstickC [i]);通过这样做，它握住了C2筷子并将信号量C2减小为0，之后，它执行Wait(take_chopstickC [(i + 1)％5]);通过这样做，它将握住C3筷子(因为i = 2，因此(2 + 1)％5 = 3)并将信号量C3减小为0。

因此，以上代码为餐饮哲学家的问题提供了解决方案，只有当哲学家的左，右筷子都可用时，哲学家才能进餐，而哲学家则需要等待。同样，两个独立的哲学家可以同时进食(即，哲学家P0和P2，P1和P3以及P2和P4可以同时进食，因为它们都是独立的过程，并且遵循上述用餐哲学家问题的约束)

用餐哲学家问题的上述解决方案的缺点

通过上述用餐哲学家问题的解决方案，我们证明了没有两个相邻的哲学家可以在同一时间进餐。上述解决方案的缺点是该解决方案可能导致死锁状态。如果所有哲学家都同时拿起左筷子，就会发生这种情况，这将导致僵局，并且所有哲学家都无法进食。

为了避免死锁，一些解决方案如下：

• 桌子上最多可容纳四名哲学家，在这种情况下，筷子C4可用于哲学家P3，因此P3将开始进食，并且在进食过程结束后，他将两根筷子放下和C4(即信号量C3和C4)现在将增加到1。现在，持有筷子C2的哲学家P2也将有筷子C3，因此类似地，他将在进食后放下筷子，并允许其他哲学家进食。
• 处于偶数位置的哲学家应先选择右筷子，然后再选择左筷子，而处于奇数位置的哲学家应先选择左筷子，然后再选择右筷子。
• 只有在两个筷子(左和右)同时可用的情况下，才应允许哲学家捡起他们的筷子
• 所有四个开始的哲学家(P0，P1，P2和P3)都应先选择左筷子，然后再选择右筷子，而最后一个哲学家P4应先选择右筷子，然后再选择左筷子。这将迫使P4首先握住他的右筷子，因为P4的右筷子是C0，已经被哲学家P0握住，并且其值已设置为0，即C0已经为0，因此P4将陷入无限环和筷子C4仍然空着。因此，哲学家P3可以同时使用左C3和右C4筷子，因此它将开始进食并在完成后放下两根筷子，让其他人进食，从而消除了死锁的问题。

问题的设计是为了说明避免死锁的挑战，系统的死锁状态是无法进行系统升级的状态。考虑一个指导每个哲学家的行为如下的提议：

• 指导哲学家思考直到左叉可用为止，如果可用，请握住它。
• 指导哲学家思考，直到合适的叉子可用时，握住它。
• 当两个叉子都可用时，指示哲学家进餐。
• 然后，先放下右叉
• 然后放下左叉
• 从头开始重复。