哲学家进餐问题

哲学家进餐问题是在并发编程领域里有名的一个问题，该问题原先由 Dijkstra 提出，并且是用于解释如何解决临界资源问题的一个经典例子。在这个问题中，多个哲学家需要同时进餐，但是他们只有一些独立的餐具，需要通过协作来获取足够的餐具。如果实现不当，就会产生死锁。本文将从多个方面详细介绍哲学家进餐问题。

一、多线程死锁问题

哲学家进餐问题是一个典型的多线程并发问题。与其他多线程问题一样，它可能会导致死锁。当每个哲学家都已经拿到了一只叉子，但是剩下的叉子已经被其他哲学家占用时，就会导致死锁。因此，这个问题需要特殊的解决方案来避免死锁的发生。

二、解决死锁的方法

避免死锁的最简单方法就是不让所有哲学家都同时拿起左手边的叉子，或者只允许奇数哲学家拿左手边的叉子，偶数哲学家拿右手边的叉子。这种方法被称为破坏占用且等待条件的方法，是解决死锁问题的一种标准方法。

另一个解决方法是引入一个调度器，它会检查系统中是否存在一些饥饿程度特别高的哲学家，如果是，则调度器将会调整哲学家们占有叉子的顺序，以保证饥饿程度高的哲学家先获得资源。这种方法的好处是，能够确保所有的哲学家最终都能够进餐。但是，这种方法也存在一些问题，例如：调度器所占用的资源会导致系统负载增加。

三、代码实现

/**
 * 哲学家进餐问题的解决方法之一：每个哲学家只能先拿起自己左边或右边的叉子
 */
class Philosopher implements Runnable {
    private Object leftFork;
    private Object rightFork;

    public Philosopher(Object leftFork, Object rightFork) {
        this.leftFork = leftFork;
        this.rightFork = rightFork;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                //拿起左边的叉子
                synchronized (leftFork) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起左边的叉子");
                    //拿起右边的叉子
                    synchronized (rightFork) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起右边的叉子，开始进餐");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下右边的叉子");
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下左边的叉子");
                    //思考一段时间
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

/**
 * 哲学家进餐问题的解决方法之一：使用一个调度器来调整哲学家们占有叉子的顺序
 */
class Philosopher2 implements Runnable {
    private Object leftFork;
    private Object rightFork;
    private static Semaphore maxPeople = new Semaphore(4);

    public Philosopher2(Object leftFork, Object rightFork) {
        this.leftFork = leftFork;
        this.rightFork = rightFork;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                maxPeople.acquire();
                synchronized (leftFork) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起左边的叉子");
                    synchronized (rightFork) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起右边的叉子，开始进餐");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下右边的叉子");
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下左边的叉子");
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
                maxPeople.release();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class DiningPhilosophers {
    public static void main(String[] args) {
        Object[] forks = new Object[5];
        Philosopher[] philosophers = new Philosopher[5];
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            forks[i] = new Object();
        }

        //处理方式1：每个哲学家先拿起自己左边或右边的叉子
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Object leftFork = forks[i];
            Object rightFork = forks[(i + 1) % 5];
            philosophers[i] = new Philosopher(leftFork, rightFork);
            Thread t = new Thread(philosophers[i]);
            t.setName("哲学家" + (i + 1));
            t.start();
        }

        //处理方式2：每个哲学家使用一个调度器来调整哲学家们占有叉子的顺序
        Object[] forks2 = new Object[5];
        Philosopher2[] philosophers2 = new Philosopher2[5];
        Semaphore maxPeople = new Semaphore(4);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            forks2[i] = new Object();
        }
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Object leftFork = forks2[i];
            Object rightFork = forks2[(i + 1) % 5];
            philosophers2[i] = new Philosopher2(leftFork, rightFork);
            Thread t = new Thread(philosophers2[i]);
            t.setName("哲学家" + (i + 1));
            t.start();
        }
    }
}

四、总结

哲学家进餐问题是一个很好的示例，可以帮助我们更好地理解多线程并发编程中面临的一些问题，例如死锁，共享资源等等。对于这个问题，我们可以使用多种方法来解决，例如破坏占用且等待条件的方法或者引入一个调度器来调整哲学家们占有叉子的顺序。无论那种方法，唯一需要保证的就是程序的正确性。通过理解和掌握这些方法，我们可以写出高效、正确的多线程代码。