五哲学家就餐问题

一. 问题背景

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。

二. POSIX中的互斥量

1、库文件:#include <pthread.h>

2、数据类型:

pthread_mutex_t       //互斥量

pthread_mutexattr_t   //互斥量的属性

3、互斥量相关的函数:

①intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,constpthread_mutexattr_t *attr);//对一个互斥量进行初始化

②intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);//销毁一个互斥量;返回值:成功则返回0,否则返回错误编号

③intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

④intpthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

⑤intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//返回值:成功则返回0,否则返回错误编号;这三个函数用于对互斥量进行加锁解锁。其中pthread_mutex_trylock是非阻塞的加锁函数,若加锁失败,则立即返回EBUSY。

4、示例

//…

pthread_mutex_tmutex;

pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

pthread_mutex_lock(&mutex);

//do something

pthread_mutex_unlock(&mutex);

pthread_mutex_destroy(&mutex);

//…

三. POSIX线程函数

1、库文件:#include<pthread.h>

2、数据类型:pthread_t;线程ID

3、线程相关函数:

①pthread_tpthread_self();//返回调用线程的线程ID

②intpthread_create(pthread_t *tidp, constpthread_attr_tattr, void *(*start_rtn)(void*), void *arg);//线程创建函数,tidp,用于返回线程ID;attr,线程属性,若设为NULL,则线程使用默认属性;start_rtn是线程例程函数,arg为线程函数参数。

③voidpthread_exit(void *rval_ptr);//rval_ptr指向线程返回值。

线程退出有以下几种情况:

a.线程从例程函数返回。

b.线程被其它线程取消。

c.线程调用pthread_exit()主动退出。

④intpthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);//返回值:成功返回0,错误返回错误编号;此函数用于等待指定线程(由参数thread指定)运行结束,期间,调用线程将会阻塞。rval_ptr参数用于获取线程返回值。

四. Linux信号量

1、库文件:#include<semaphore.h>

2、信号量数据类型:sem_t

3、主要函数:

①sem_init(sem_t*sem, int pshared, unsigned int value);//初始化一个无名信号量

②sem_destroy(sem_t*sem);//销毁一个无名信号量;返回值:成功返回 0;错误返回 -1,并设置errno

③sem_post(sem_t *sem);//信号量值加1。若有线程阻塞于信号量sem,则调度器会唤醒对应阻塞队列中的某一个线程。

④sem_wait(sem_t *sem);//若sem小于0,则线程阻塞于信号量sem,直到sem大于0。否则信号量值减1。

⑤sem_trywait(sem_t *sem);//功能同sem_wait(),但此函数不阻塞,若sem小于0,直接返回;返回值:成功返回0,错误返回-1,并设置errno

4、示例

sem_tsem;

sem_init(&sem,0, 1);//初始化一个值为1的信号量

sem_wait(&sem);//获取信号量

//dosomthing

sem_post(&sem);//释放信号量

sem_destroy(&sem);//销毁一个无名信号量

五. 代码
[cce_cpp]
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <math.h>
//筷子作为mutex
pthread_mutex_t chopstick[6] ;
void *eat_think(void *arg)
{
	char phi = *(char *)arg;
	int left,right; //左右筷子的编号
	switch (phi){
		case 'A':
			left = 5;
			right = 1;
			break;
		case 'B':
			left = 1;
			right = 2;
			break;
		case 'C':
			left = 2;
			right = 3;
			break;
		case 'D':
			left = 3;
			right = 4;
			break;
		case 'E':
			left = 4;
			right = 5;
			break;
	}

	int i;
	for(;;){
		usleep(3); //思考
		pthread_mutex_lock(&chopstick[left]); //拿起左手的筷子
		printf("Philosopher %c fetches chopstick %d\n", phi, left);
		if (pthread_mutex_trylock(&chopstick[right]) == EBUSY){ //拿起右手的筷子	
			pthread_mutex_unlock(&chopstick[left]); //如果右边筷子被拿走放下左手的筷子
			continue;
		}
		
	//	pthread_mutex_lock(&chopstick[right]); //拿起右手的筷子,如果想观察死锁,把上一句if注释掉,再把这一句的注释去掉
		printf("Philosopher %c fetches chopstick %d\n", phi, right);
		printf("Philosopher %c is eating.\n",phi);
		usleep(3); //吃饭
		pthread_mutex_unlock(&chopstick[left]); //放下左手的筷子
		printf("Philosopher %c release chopstick %d\n", phi, left);
		pthread_mutex_unlock(&chopstick[right]); //放下右手的筷子
		printf("Philosopher %c release chopstick %d\n", phi, right);

	}
}
int main(){
	pthread_t A,B,C,D,E; //5个哲学家

	int i;
	for (i = 0; i < 5; i++)
		pthread_mutex_init(&chopstick[i],NULL);
	pthread_create(&A,NULL, eat_think, "A");
	pthread_create(&B,NULL, eat_think, "B");
	pthread_create(&C,NULL, eat_think, "C");
	pthread_create(&D,NULL, eat_think, "D");
	pthread_create(&E,NULL, eat_think, "E");

	pthread_join(A,NULL);
	pthread_join(B,NULL);
	pthread_join(C,NULL);
	pthread_join(D,NULL);
	pthread_join(E,NULL);
	return 0;
}

[/cce_cpp]

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