經(jīng)典的哲學(xué)家就餐問題，還有印象嗎？
作者：看山灬
在本文中，我們?cè)敿?xì)探討了Java中哲學(xué)家就餐問題的解決方案，包括使用同步塊和ReentrantLock。同時(shí)，我們也討論了死鎖預(yù)防的策略。通過這些方法和策略，我們能夠有效地處理多線程環(huán)境下的資源競(jìng)爭(zhēng)和死鎖問題，提高程序的并發(fā)性能和穩(wěn)定性。?
哲學(xué)家就餐問題（Dining Philosophers Problem）是由計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾茲格?W?迪科斯徹（Edsger W. Dijkstra）于 1965 年提出的一個(gè)經(jīng)典的多線程同步問題，用于描述和解決并發(fā)編程中的資源分配與死鎖問題。
在本文中，我們探討如何使用Java解決這一問題。
一、問題描述
想象有一張圓桌，周圍坐著五位哲學(xué)家。每位哲學(xué)家的面前都有一碗食物（如意大利面）和兩根筷子（分別位于其左右兩側(cè)）。
哲學(xué)家們的生活只有兩種狀態(tài)：思考和吃飯。要吃飯的話，哲學(xué)家必須同時(shí)拿起他左邊和右邊的筷子，吃完后放下筷子繼續(xù)思考。
由于筷子數(shù)量有限，只有五根，且每位哲學(xué)家都需要兩根筷子才能進(jìn)餐，這就可能導(dǎo)致資源競(jìng)爭(zhēng)和死鎖的情況發(fā)生。
例如，每個(gè)哲學(xué)家都先拿起了左邊的筷子，然后等待右邊的筷子，此時(shí)所有哲學(xué)家都在等待其他哲學(xué)家放下筷子，而又都不會(huì)放下自己已經(jīng)拿到的筷子，這樣就造成了死鎖，整個(gè)系統(tǒng)陷入僵持狀態(tài)，沒有哲學(xué)家能夠吃到食物。
二、解決辦法
為了解決這個(gè)問題，需要設(shè)計(jì)一種合理的資源分配策略，確保哲學(xué)家們能夠有序地獲取和釋放筷子，避免死鎖的發(fā)生。常見的解決方案包括：
- 資源分級(jí)：給筷子編號(hào)，規(guī)定哲學(xué)家先拿起編號(hào)小的筷子，再拿起編號(hào)大的筷子，這樣可以避免循環(huán)等待。
- 奇數(shù)哲學(xué)家先拿左邊筷子，偶數(shù)哲學(xué)家先拿右邊筷子：打破循環(huán)等待的條件，使得至少有一位哲學(xué)家能夠獲取到兩根筷子開始進(jìn)餐，從而打破死鎖局面。
- 使用并發(fā)控制機(jī)制：如信號(hào)量、互斥鎖等，來控制哲學(xué)家對(duì)筷子的訪問，確保資源的合理分配和同步。
三、使用同步塊解決哲學(xué)家就餐問題
解決哲學(xué)家就餐問題的一種方法是使用Java的同步塊。
我們可以為每根筷子創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，將其作為鎖。哲學(xué)家線程在嘗試拿起筷子時(shí)會(huì)獲取相應(yīng)的鎖。
以下是實(shí)現(xiàn)代碼：
public class DiningPhilosophersSynchronized {
public static void main(String[] args) {
Object[] chopsticks = new Object[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chopsticks[i] = new Object();
}
Thread[] philosophers = new Thread[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int leftChopstick = i;
int rightChopstick = (i + 1) % 5;
philosophers[i] = new Thread(new Philosopher(chopsticks[leftChopstick], chopsticks[rightChopstick]));
philosophers[i].setName("Philosopher " + (i + 1));
philosophers[i].start();
}
}
static class Philosopher implements Runnable {
private final Object leftChopstick;
private final Object rightChopstick;
public Philosopher(Object leftChopstick, Object rightChopstick) {
this.leftChopstick = leftChopstick;
this.rightChopstick = rightChopstick;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is thinking");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is hungry");
synchronized (leftChopstick) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " picked up left chopstick");
synchronized (rightChopstick) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " picked up right chopstick");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is eating");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put down right chopstick");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put down left chopstick");
}
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
}在上述代碼中：
- 我們創(chuàng)建了一個(gè)包含五個(gè)對(duì)象的數(shù)組chopsticks，每個(gè)對(duì)象代表一根筷子。
- 為每個(gè)哲學(xué)家創(chuàng)建一個(gè)線程。每個(gè)哲學(xué)家線程嘗試獲取左邊和右邊筷子的鎖，以模擬拿起筷子吃飯的過程。
- 在Philosopher類的run方法中，哲學(xué)家首先思考一段時(shí)間，然后進(jìn)入饑餓狀態(tài)，嘗試獲取兩根筷子。如果成功獲取兩根筷子，就開始吃飯，吃完后放下筷子繼續(xù)思考。
運(yùn)行結(jié)果為：
Philosopher 3 is thinking
Philosopher 5 is thinking
Philosopher 4 is thinking
Philosopher 1 is thinking
Philosopher 2 is thinking
Philosopher 4 is hungry
Philosopher 4 picked up left chopstick
Philosopher 4 picked up right chopstick
Philosopher 4 is eating
Philosopher 3 is hungry
Philosopher 3 picked up left chopstick
Philosopher 4 put down right chopstick
Philosopher 4 put down left chopstick
Philosopher 3 picked up right chopstick
Philosopher 3 is eating
Philosopher 4 is thinking
Philosopher 1 is hungry
Philosopher 1 picked up left chopstick
……四、使用 ReentrantLock 解決哲學(xué)家就餐問題
除了同步塊，我們還可以使用ReentrantLock來解決哲學(xué)家就餐問題。ReentrantLock提供了比同步塊更靈活的鎖機(jī)制，例如可中斷的鎖獲取、公平性選擇等。
以下是使用ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class DiningPhilosophersReentrantLock {
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock[] chopsticks = new ReentrantLock[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chopsticks[i] = new ReentrantLock();
}
Thread[] philosophers = new Thread[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int leftChopstick = i;
int rightChopstick = (i + 1) % 5;
philosophers[i] = new Thread(new Philosopher(chopsticks[leftChopstick], chopsticks[rightChopstick]));
philosophers[i].setName("Philosopher " + (i + 1));
philosophers[i].start();
}
}
static class Philosopher implements Runnable {
private final ReentrantLock leftChopstick;
private final ReentrantLock rightChopstick;
public Philosopher(ReentrantLock leftChopstick, ReentrantLock rightChopstick) {
this.leftChopstick = leftChopstick;
this.rightChopstick = rightChopstick;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is thinking");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is hungry");
boolean leftAcquired = false;
boolean rightAcquired = false;
try {
leftAcquired = leftChopstick.tryLock();
if (leftAcquired) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " picked up left chopstick");
rightAcquired = rightChopstick.tryLock();
if (rightAcquired) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " picked up right chopstick");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is eating");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
}
}
} finally {
if (rightAcquired) {
rightChopstick.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put down right chopstick");
}
if (leftAcquired) {
leftChopstick.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put down left chopstick");
}
}
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
}在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中：
- 我們創(chuàng)建了一個(gè)ReentrantLock數(shù)組來表示筷子。
- 在Philosopher類的run方法中，哲學(xué)家嘗試使用tryLock方法獲取左邊和右邊筷子的鎖。tryLock方法會(huì)嘗試獲取鎖，如果鎖不可用，它會(huì)立即返回false，而不會(huì)阻塞線程。
- 如果成功獲取兩根筷子，哲學(xué)家開始吃飯，吃完后釋放鎖。這種方式可以避免死鎖，因?yàn)槿绻麩o法獲取兩根筷子，哲學(xué)家會(huì)釋放已經(jīng)獲取的筷子，從而避免一直持有鎖導(dǎo)致其他哲學(xué)家無法獲取資源。
運(yùn)行結(jié)果為：
Philosopher 1 is thinking
Philosopher 3 is thinking
Philosopher 4 is thinking
Philosopher 2 is thinking
Philosopher 5 is thinking
Philosopher 4 is hungry
Philosopher 4 picked up left chopstick
Philosopher 4 picked up right chopstick
Philosopher 4 is eating
Philosopher 2 is hungry
Philosopher 2 picked up left chopstick
Philosopher 2 picked up right chopstick
Philosopher 2 is eating
Philosopher 5 is hungry
Philosopher 5 is thinking
Philosopher 4 put down right chopstick
……五、死鎖預(yù)防策略
為了避免死鎖，我們可以采用以下幾種策略：
- 資源分配圖算法：使用資源分配圖算法（如銀行家算法）來檢測(cè)和避免死鎖。該算法通過監(jiān)控資源的分配和請(qǐng)求情況，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)，即不會(huì)發(fā)生死鎖。
- 破壞死鎖的四個(gè)必要條件：死鎖的發(fā)生需要滿足四個(gè)必要條件：互斥、占有并等待、不可剝奪和循環(huán)等待。我們可以通過破壞其中一個(gè)或多個(gè)條件來預(yù)防死鎖。例如，在哲學(xué)家就餐問題中，我們可以通過改變資源分配方式來破壞循環(huán)等待條件，比如讓一位哲學(xué)家先拿起右邊的筷子，再拿起左邊的筷子，這樣就打破了循環(huán)等待的結(jié)構(gòu)。
- 超時(shí)機(jī)制：在獲取鎖時(shí)設(shè)置超時(shí)時(shí)間。如果在指定時(shí)間內(nèi)無法獲取所有需要的資源，線程可以放棄已獲取的資源，并重新嘗試獲取，從而避免無限期等待導(dǎo)致的死鎖。在上述ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)中，tryLock方法就是一種簡(jiǎn)單的超時(shí)機(jī)制體現(xiàn)，它嘗試獲取鎖，如果在調(diào)用時(shí)鎖不可用，會(huì)立即返回false，而不是一直阻塞等待。
文末總結(jié)
在本文中，我們?cè)敿?xì)探討了Java中哲學(xué)家就餐問題的解決方案，包括使用同步塊和ReentrantLock。同時(shí)，我們也討論了死鎖預(yù)防的策略。通過這些方法和策略，我們能夠有效地處理多線程環(huán)境下的資源競(jìng)爭(zhēng)和死鎖問題，提高程序的并發(fā)性能和穩(wěn)定性。
責(zé)任編輯：武曉燕
來源：
看山的小屋
