操作系统(12) (并发(3)------哲学家进餐问题（Dining Philosophers Problem)解决方案/管程(monitor))

哲学家进餐问题描述

解决方案 1：

解决方案 2：信号量实现

解决方案 3：使用 Monitor 的实现

1. 监视器的组成部分

2. 监视器的优点

3. 使用监视器解决哲学家进餐问题

4. 使用监视器的优势

5. 监视器的局限性

6. Mesa风格和Hoare风格监视器的区别

1. 调用 notify() 时的行为

2. Mesa风格的监视器

3. Hoare风格的监视器

总结

并发控制是操作系统和多线程编程中的一个核心问题。哲学家进餐问题（Dining Philosophers Problem） 是一个经典案例，展示了在共享资源上进行协调的挑战及其解决方案。本篇博客将详细讲解哲学家进餐问题，并展示三种主要解决方案，特别是通过 Monitor 来实现高效的并发控制。

哲学家进餐问题描述

假设有五位哲学家围坐在圆桌旁，每位哲学家之间有一只叉子。哲学家有两种行为：思考和进餐。要进餐，哲学家需要同时拿起左边和右边的两只叉子。一旦进餐完毕，哲学家会放下叉子并开始思考。这个问题的核心挑战是如何设计一种机制，避免死锁和饥饿，并最大限度地提高并行度。

解决方案 1：

在这种方法中，每个哲学家都尝试同时拿起两只叉子：

void pickup(int i) {
    wait(fork[i]);          // 拿起左边的叉子
    wait(fork[(i + 1) % 5]); // 拿起右边的叉子
}

void putdown(int i) {
    signal(fork[i]);        // 放下左边的叉子
    signal(fork[(i + 1) % 5]); // 放下右边的叉子
}

缺点：这种实现容易导致死锁。例如，如果所有哲学家同时拿起左边的叉子并等待右边的叉子，整个系统将陷入僵局。

解决方案 2：信号量实现

使用信号量控制叉子的可用性和哲学家的同步。

sem_t forks[5]; // 初始化为1，表示每个叉子都可用

void pickup(int i) {
    sem_wait(&forks[i]);          // 拿起左边的叉子
    sem_wait(&forks[(i + 1) % 5]); // 拿起右边的叉子
}

void putdown(int i) {
    sem_post(&forks[i]);          // 放下左边的叉子
    sem_post(&forks[(i + 1) % 5]); // 放下右边的叉子
}

缺点：这种方法通过信号量避免了死锁，但无法实现最大并行度，因为哲学家无法同时进餐。

解决方案 3：使用 Monitor 的实现

1. 监视器的组成部分

监视器是一种高级同步机制，通过封装共享资源和相关操作，确保只有一个线程能在任一时刻访问和操作共享资源。其主要组成部分包括：

共享私有数据（Shared Private Data）：管理监视器所保护的资源，外部线程无法直接访问，确保数据封装性和安全性。
操作数据的程序（Monitor Procedures）：访问和操作共享数据的唯一途径，保证线程在同步环境下安全地进行数据操作。
同步原语（Synchronization Primitives）：使用条件变量和锁来管理线程的等待和唤醒，避免繁忙等待，提高系统资源利用率。

2. 监视器的优点

避免信号量的复杂性：监视器自动封装了同步逻辑，简化了代码的实现，减少了使用信号量引发的死锁风险。
自动管理互斥：监视器保证在任意时刻，只有一个线程可以进入和执行监视器中的方法。
避免繁忙等待：当线程无法获取资源时，进入等待队列而不占用 CPU 资源。

3. 使用监视器解决哲学家进餐问题

在哲学家进餐问题中，使用监视器可提供一种简洁而有效的资源竞争与同步管理方法。

核心思路：

状态管理：每个哲学家有三种状态——THINKING（思考）、HUNGRY（饥饿）、EATING（用餐），并通过一个共享的 state 数组记录状态。
条件变量：每个哲学家都有自己的条件变量 self[i]，用于在不能用餐时进入等待状态。
互斥和同步：使用锁和条件变量确保同时只有一个线程能操作监视器，避免竞争条件。

实现逻辑：

pickup(i)：
- 哲学家 i 调用 pickup() 将其状态设置为 HUNGRY。
- 调用 test(i) 检查左右邻居状态，决定是否进入用餐状态。
- 如果不能用餐，进入 self[i] 等待队列，等待唤醒。
putdown(i)：
- 用餐结束后，调用 putdown() 将状态设置为 THINKING。
- 调用 test() 检查左右邻居是否可以用餐，并唤醒满足条件的哲学家。
test(i)：
- 检查哲学家 i 是否可以用餐，即 state[i] == HUNGRY 且左右邻居都不在 EATING 状态。
- 条件满足时，将状态设为 EATING 并唤醒 self[i]。

代码示例：

monitor DiningPhilosophers {
    enum { THINKING, HUNGRY, EATING } state[5];
    condition self[5];

    void pickup(int i) {
        state[i] = HUNGRY;
        test(i);
        if (state[i] != EATING)
            self[i].wait();
    }

    void putdown(int i) {
        state[i] = THINKING;
        test((i + 4) % 5);
        test((i + 1) % 5);
    }

    void test(int i) {
        if (state[i] == HUNGRY &&
            state[(i + 4) % 5] != EATING &&
            state[(i + 1) % 5] != EATING) {
            state[i] = EATING;
            self[i].signal();
        }
    }

    initialization_code() {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
            state[i] = THINKING;
    }
}