2025考研计算机知识梳理：操作系统-哲学家进餐问题

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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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