哲學家進餐問題

哲學家進餐問題是在並發編程領域裡有名的一個問題，該問題原先由 Dijkstra 提出，並且是用於解釋如何解決臨界資源問題的一個經典例子。在這個問題中，多個哲學家需要同時進餐，但是他們只有一些獨立的餐具，需要通過協作來獲取足夠的餐具。如果實現不當，就會產生死鎖。本文將從多個方面詳細介紹哲學家進餐問題。

一、多線程死鎖問題

哲學家進餐問題是一個典型的多線程並發問題。與其他多線程問題一樣，它可能會導致死鎖。當每個哲學家都已經拿到了一隻叉子，但是剩下的叉子已經被其他哲學家佔用時，就會導致死鎖。因此，這個問題需要特殊的解決方案來避免死鎖的發生。

二、解決死鎖的方法

避免死鎖的最簡單方法就是不讓所有哲學家都同時拿起左手邊的叉子，或者只允許奇數哲學家拿左手邊的叉子，偶數哲學家拿右手邊的叉子。這種方法被稱為破壞佔用且等待條件的方法，是解決死鎖問題的一種標準方法。

另一個解決方法是引入一個調度器，它會檢查系統中是否存在一些飢餓程度特別高的哲學家，如果是，則調度器將會調整哲學家們佔有叉子的順序，以保證飢餓程度高的哲學家先獲得資源。這種方法的好處是，能夠確保所有的哲學家最終都能夠進餐。但是，這種方法也存在一些問題，例如：調度器所佔用的資源會導致系統負載增加。

三、代碼實現

/**
 * 哲學家進餐問題的解決方法之一：每個哲學家只能先拿起自己左邊或右邊的叉子
 */
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) {
                //拿起左邊的叉子
                synchronized (leftFork) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起左邊的叉子");
                    //拿起右邊的叉子
                    synchronized (rightFork) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起右邊的叉子，開始進餐");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下右邊的叉子");
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下左邊的叉子");
                    //思考一段時間
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

/**
 * 哲學家進餐問題的解決方法之一：使用一個調度器來調整哲學家們佔有叉子的順序
 */
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() + ": 拿起左邊的叉子");
                    synchronized (rightFork) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 拿起右邊的叉子，開始進餐");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下右邊的叉子");
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 放下左邊的叉子");
                    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();
        }

        //處理方式1：每個哲學家先拿起自己左邊或右邊的叉子
        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("哲學家" + (i + 1));
            t.start();
        }

        //處理方式2：每個哲學家使用一個調度器來調整哲學家們佔有叉子的順序
        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("哲學家" + (i + 1));
            t.start();
        }
    }
}

四、總結

哲學家進餐問題是一個很好的示例，可以幫助我們更好地理解多線程並發編程中面臨的一些問題，例如死鎖，共享資源等等。對於這個問題，我們可以使用多種方法來解決，例如破壞佔用且等待條件的方法或者引入一個調度器來調整哲學家們佔有叉子的順序。無論那種方法，唯一需要保證的就是程序的正確性。通過理解和掌握這些方法，我們可以寫出高效、正確的多線程代碼。