哲学家就餐问题的多线程解决方案

在计算机科学中，哲学家就餐问题是一个经典的并发编程问题，它描述了五位哲学家围坐在一张圆桌旁，每位哲学家面前有一个盘子，而桌子中央有一大碗意大利面。每位哲学家需要使用两把叉子来吃意大利面，但每把叉子只能被一位哲学家使用。由于哲学家们从不交谈，这可能导致一种危险的情况，即每位哲学家都拿着一把左叉子，永远等待另一把右叉子（或反之亦然），从而产生死锁。

本文将介绍一种简单的多线程解决方案，以避免哲学家们为了叉子而发生竞争，从而确保他们能够顺利地进餐。

解决方案

给每位哲学家编号，从1到5。每位哲学家使用两把叉子，具体分配如下：

• 哲学家1使用叉子1和叉子5。
• 哲学家2使用叉子1和叉子2。
• 哲学家3使用叉子2和叉子3。
• 哲学家4使用叉子3和叉子4。
• 哲学家5使用叉子4和叉子5。

当一位哲学家吃完后，他可以释放其他正在等待的哲学家。因此，有以下规则：

• 哲学家1只能释放哲学家2或哲学家5。
• 哲学家2只能释放哲学家3或哲学家1。
• 哲学家3只能释放哲学家4或哲学家2。
• 哲学家4只能释放哲学家5或哲学家3。
• 哲学家5只能释放哲学家1或哲学家4。

代码实现相对简单。创建5个线程，每个线程代表一位哲学家，模拟吃饭和思考的过程。虽然每位哲学家的代码基本相同，但为了提高可读性，重复了代码。

多线程架构

构建了一个多线程架构，试图解决这类问题。以下是一些可能的问题：

• 哲学家就餐问题
• 读者-写者问题

每个运行条件的线程都必须有进入条件和退出条件。在这些条件之间，线程安全的有条件代码可以执行。将使用这种架构深入探讨读者和写者问题，并在本文中解释“哲学家就餐问题”的解决方案。

使用一个CRITICAL_SECTION变量来同步所有线程必须执行的进入和退出条件。有五个事件句柄，每个线程一个，需要在必要时等待，还有一个五元素整数数组表示叉子。每个元素要么是1要么是0（布尔值），0表示叉子没有被任何哲学家使用，1表示叉子正在被某位哲学家使用。除了这些，还有其他数据成员，但它们仅用于动画，因此不会深入讨论。

每个哲学家线程将不断在while(1)循环中旋转。在循环的开始，有一个局部变量nShouldWait，一个布尔值，用于决定线程状态是等待还是执行。

以下是进入条件的步骤：

• 进入临界区：EnterCriticalSection(&cs);
• 检查叉子是否准备好吃饭：if(!sp[1] && !sp[5])
• 如果叉子准备好了，将叉子变量设置为占用：sp[1]=sp[5]=1;
• 因此不需要等待：nShouldWait=0;
• 否则，叉子不空闲，其他哲学家正在使用，所以不能吃饭：nShouldWait=1;
• 离开临界区：LeaveCriticalSection(&cs);
• 如果nShouldWait为真，则等待事件，直到被信号运行：WaitForSingleObject(hndEvents[1],INFINITE);

这是进入条件的结束。

注意：所有进入条件都必须由一个公共的临界区保护，否则全局状态将不一致。同样，所有退出条件也必须受到保护，因此使用同一个临界区来实现这两个目的。

当代码完成进入条件时，意味着它要么有完全合法的权限运行，要么等待。让考虑一个案例，它将运行（通过哲学家吃饭模拟），最后在一段时间后完成吃饭。所以是时候深入研究退出条件了。

• 定义一个局部句柄并将其初始化为NULL：HANDLE hndTmp = NULL;
• 因为已经吃完了，所以放弃叉子：sp[1]=sp[5]=0;
• 由于哲学家1只能释放给哲学家2或哲学家5。首先检查是否可以释放哲学家2：if(!sp[1] && !sp[2])
• 如果为真，则将他的叉子设置为占用状态：sp[1]=sp[2]=1;
• 并设置他的事件句柄，他正在等待吃饭：hndTmp = hndEvents[2];
• 如果不是，检查是否可以释放哲学家5，并重复上述步骤。
• 最后离开临界区：LeaveCriticalSection(&cs);
• 允许哲学家2或哲学家5吃饭：if(hndTmp != NULL) SetEvent(hndTmp);