2025考研计算机知识梳理:操作系统-哲学家进餐问题
2024.04.19 07:27

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  2025考研计算机知识梳理:操作系统-哲学家进餐问题

  操作系统-哲学家进餐问题

  一、哲学家进餐问题

  哲学家进餐问题是典型的同步问题。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,在圆桌上有五只筷子分别放在哲学家左右,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。

  经分析可知,哲学家进餐问题是一个并发控制问题,要求多个进程之间分配多个资源且不会出现死锁或饥饿问题。放在桌子上的筷子是临界资源,在一段时间内只允许一位哲学家使用。为了实现对筷子的互斥使用,可以用一个信号量表示一只筷子,由这五个信号量构成信号量数组。其描述如下:

  semaphore chopstick[5]={1, 1, 1, 1, 1}; //信号量初始化

  所有信号量均被初始化为1, 第i位哲学家的活动可描述为:

  Pi ( ){ //第i位哲学家进程

  while(1){

  wait(chopstick[i]); //取左手筷子

  wait(chopstick[(i+1)%5]); //取右手筷子

  …… //进餐

  signal(chopstick[i]); //放回左手筷子

  signal(chopstick[(i+1)%5]); //放回右手筷子

  ……} //思考

  }

  在以上描述中,当哲学家饥饿时,总是先去拿他左边的筷子,执行wait(chopstick[i]);成功后,再去拿他右边的筷子,即执行wait(chopstick[(i+1)%5]);又成功后便可进餐。进餐完毕,又先放下他左边的筷子,然后再放右边的筷子。

  虽然,上述解法可保证不会有两个相邻的哲学家同时进餐,但有可能引起死锁。假如五位哲学家同时饥饿而各自拿起左边的筷子时,就会使五个信号量chopstick均为0;当他们再试图去拿右边的筷子时,都将因无筷子可拿而无限期地等待。对于这样的死锁问题,可采取以下几种解决方法:

  (1)仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时,才允许他进餐。

  (2)至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子,最终能保证至少有一位哲学家能够进餐,并在用毕时能释放出他用过的两只筷子,从而使更多的哲学家能够进餐。

  (3)规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子,然后再去拿右边的筷子,而偶数号哲学家则相反。

  仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时,才允许他进餐,哲学家进餐问题的算法描述如下:

  semaphore chopstick[5]={1, 1, 1, 1, 1};

  semaphore mutex=1; //临界区互斥信号量

  do {

  wait (mutex);

  wait(chopstick[i]);

  wait(chopstick[(i+1)%5]);

  signal (mutex);

  …… //eat;

  signal(chopstick[i]);

  signal(chopstick[(i+1)%5]);

  …… //think;

  }while(TRUE);

  二、相关试题

  (2019-43)有n(n≥3)位哲学家围坐在一张圆桌边,每位哲学家交替地就餐和思考。在圆桌中心有m(m≥1)个碗,每两位哲学家之间有1根筷子。每位哲学家必须取到一个碗和两侧的筷子之后,才能就餐,进餐完毕,将碗和筷子放回原位,并继续思考。为使尽可能多的哲学家同时就餐,且防止出现死锁现象,请使用信号量的P、V操作(wait( )、 signal( )操作)描述上述过程中的互斥与同步,并说明所用信号量及初值的含义。

  三、参考答案

  解析:

  semaphore bowl; //用于协调哲学家对碗的使用

  semaphore chopsticks[n]; //用于协调哲学家对筷子的使用

  for( int i=0; i

  chopsticks[i].value=1; //设置两个哲学家之间筷子的数量

  bowl.value=min(n-1,m); // bowl.value≤n-1,确保不死锁

  CoBegin

  while(TRUE) { //哲学家i的程序

  思考;

  P(bowl); //取碗

  P(chopsticks[i]) //取左边镇子

  P( chopsticks[(i+1)MOD n]); //取右边筷子

  就餐;

  V(chopsticks[i]):

  V(chopsticks[(i+1)MOD n]);

  V(bowl);

  }

  Coend

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