Java多线程之哲学家就餐问题详解

一、题目

教材提供一个哲学家就餐问题的解决方案的框架。本问题要求通过pthreads 互斥锁来实现这个解决方案。
哲学家 首先创建 5 个哲学家，每个用数字 0~4 来标识。每个哲学家作为一个单独的线程运行。可使用 Pthreads 创建线程。哲学家在思考和吃饭之间交替。为了模拟这两种活动，请让线程休眠 1 到 3 秒钟。当哲学家想要吃饭时，他调用函数：
pickup_forks(int philosopher _number) 其中，philosopher _number
为想吃饭哲学家的数字。当哲学家吃完后，他调用函数：

return _forks(int philosopher _number)

Pthreads 条件变量 Pthreads 条件变量使用数据类型 pthread_cond_t，采用函数 pthread cond
init（）初始化。以下代码创建并初始化条件变量及其关联的互斥锁：

pthread _mutex_ t mutex;
pthread_ cond_ t cond _var;
pthread _mutex_ init(&mutex,NULL);
pthread _cond_ init(&cond _var,NULL);

函数 pthread_cond_wait（）用于等待条件变量。下面的代码采用 Pthreads条件变量,说明线程如何等待条件 a==b 变为
true。

pthread _mutex_ lock(&mutex);
while (a != b)
pthread_cond _wait(&mutex, &cond var);
pthread _mutex_ unlock(&mutex);

与条件变量关联的互斥锁在调用pthread_cond_wait（）函数之前，应加锁，因为保护条件语句中的数据，避免竞争条件。一旦获得锁，线程可以检查条件。如果条件不成立，然后线程调用 pthread_cond_wait（），传递互斥锁和条件变量作为参数。调用pthread_cond_wait（）释放互斥锁，从而允许另一个线程访问共享变量，也可更新其值，以便条件语句的计算结果为真。（为了防止程序错误，重要的是将条件语句放在循环中，以便在被唤醒后重新检查条件。）修改共享数据的线程可以调用 pthread_cond_signal（）函数，从而唤醒一个等待条件变量的线程。这个代码如下：

pthread_ mutex_ lock(&mutex);
a = b;
pthread_ cond_ signal(&cond var);
pthread _mutex_ unlock(&mutex);

需要注意的是，调用pthread_cond_signal（）不会释放互斥锁。随后调用pthread_mutex_unlock（）释放互斥锁。一旦互斥锁被释放,唤醒线程成为互斥锁的所有者，并将控制权返回到对pthread cond wait（）的调用。

二、题目解析

题目是书上的哲学家就餐问题，要求用互斥锁解决。
这题的关键在于筷子这个资源的合理使用，书上给出了三种不同的解决思路：

在这里插入图片描述

其实三种方法的核心就是为了解决死锁问题。

什么是死锁呢？

用专业点的话说就是：一组互相竞争资源的线程因互相等待，导致“永久”阻塞的现象。

说白了，就是你拿了我想要拿的资源，我拿了你想要拿的资源，而双方各执一词，导致一直无法解决问题。

那我的思路就是：

双方各退一步，当发现我想要的资源不够我完成我所需的事情时，那就把之前拿到的资源放回。这样就不会导致双方互相等待导致死锁的情况。

当然思路不止一种，在极客时间的Java并发编程实战中有讲到死锁发生的条件：

只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁：
互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；占有且等待，线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X；不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；循环等待，线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程 T1 占有的资源，就是循环等待。

如何解决死锁呢？打破任意一个条件即可。

其中，互斥这个条件我们没有办法破坏，因为我们用锁为的就是互斥。不过其他三个条件都是有办法破坏掉的，到底如何做呢？
对于“占用且等待”这个条件，我们可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化后自然就不存在循环了。

好了，回到正题上来，既然我们的思路就是拿不到资源就选择退让，我们可以借用Java里的ReentrantLock类中trylock（）方法实现，该方法的作用就是尝试锁住该资源。和lock（）方法不同的是，如果该资源已经上锁，那么线程不会阻塞，而是返回flase，表示无法上锁，当然还可以加入参数让它再尝试几秒，比如：

lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS))；

而具体用法就是

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

三、代码实现

package com.dreamchaser.concurrent;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 哲学家就餐问题
 */
public class Proj3_02 {
    static final Lock[] locks=new Lock[5];
    static {
        for (int i=0;i<locks.length;i++){
            locks[i]=new ReentrantLock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Philosopher philosopher0=new Philosopher("张三",1000,0);
        Philosopher philosopher1=new Philosopher("李四",800,1);
        Philosopher philosopher2=new Philosopher("王五",400,2);
        Philosopher philosopher3=new Philosopher("jhl",2000,3);
        Philosopher philosopher4=new Philosopher("ghlcl",2000,4);
        philosopher0.start();
        philosopher1.start();
        philosopher2.start();
        philosopher3.start();
        philosopher4.start();
        //死循环，防止主线程退出导致进程关闭
        while (true){}
    }

    static class Philosopher extends Thread{
        private String name;
        private long time;
        private int num;

        public Philosopher(String name, long time, int num) {
            this.name = name;
            this.time = time;
            this.num = num;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true){
                System.out.println(num+"号哲学家"+name+"正在思考...");
                //模拟思考的过程
                try {
                    Thread.sleep(time);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(num+"号哲学家"+name+"饿了，想来吃饭...");
                if (locks[num].tryLock()){
                    try {
                        System.out.println(num+"号哲学家"+name+"拿到了左边的筷子！");
                        if (locks[(num+1)%5].tryLock()){
                            try {
                                System.out.println(num+"号哲学家"+name+"拿到了右边的筷子！");
                                System.out.println(num+"号哲学家"+name+"开始吃饭！");
                                //模拟哲学家吃饭的过程
                                Thread.sleep(time);
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            } finally {
                                System.out.println(num+"号哲学家"+name+"放下了右边的筷子！");
                                locks[(num+1)%5].unlock();
                            }
                        }else {
                            System.out.println(num+"号哲学家"+name+"没拿到了右边的筷子！被迫思考...");
                        }
                    }finally {
                        System.out.println(num+"号哲学家"+name+"放下了左边的筷子！");
                        locks[num].unlock();
                    }
                }else {
                    System.out.println(num+"号哲学家"+name+"没拿到了左边的筷子！被迫思考...");
                }
                System.out.println(num+"号哲学家"+name+"思考ing...");
                //模拟思考过程
                try {
                    Thread.sleep(time);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

四、运行效果截图

在这里插入图片描述

五、结语

以上是我的实现思路。希望我的思路能个各位有所帮助，当然，如果有什么意见或者建议的，欢迎在评论区评论。

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