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Java多線(xiàn)程之哲學(xué)家就餐問(wèn)題詳解

更新時(shí)間：2021年04月25日 14:29:27 作者：Dreamchaser追夢(mèng)

這篇文章主要介紹了Java多線(xiàn)程之哲學(xué)家就餐問(wèn)題詳解,文中有非常詳細(xì)的代碼示例,對(duì)正在學(xué)習(xí)java的小伙伴們有非常好的幫助,需要的朋友可以參考下

一、題目

教材提供一個(gè)哲學(xué)家就餐問(wèn)題的解決方案的框架。本問(wèn)題要求通過(guò)pthreads 互斥鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)解決方案。
哲學(xué)家 首先創(chuàng)建 5 個(gè)哲學(xué)家，每個(gè)用數(shù)字 0~4 來(lái)標(biāo)識(shí)。每個(gè)哲學(xué)家作為一個(gè)單獨(dú)的線(xiàn)程運(yùn)行。可使用 Pthreads 創(chuàng)建線(xiàn)程。哲學(xué)家在思考和吃飯之間交替。為了模擬這兩種活動(dòng)，請(qǐng)讓線(xiàn)程休眠 1 到 3 秒鐘。當(dāng)哲學(xué)家想要吃飯時(shí)，他調(diào)用函數(shù)：
pickup_forks(int philosopher _number) 其中，philosopher _number
為想吃飯哲學(xué)家的數(shù)字。當(dāng)哲學(xué)家吃完后，他調(diào)用函數(shù)：

return _forks(int philosopher _number)

Pthreads 條件變量 Pthreads 條件變量使用數(shù)據(jù)類(lèi)型 pthread_cond_t，采用函數(shù) pthread cond
init（）初始化。以下代碼創(chuàng)建并初始化條件變量及其關(guān)聯(lián)的互斥鎖：

pthread _mutex_ t mutex;
pthread_ cond_ t cond _var;
pthread _mutex_ init(&mutex,NULL);
pthread _cond_ init(&cond _var,NULL);

函數(shù) pthread_cond_wait（）用于等待條件變量。下面的代碼采用 Pthreads條件變量,說(shuō)明線(xiàn)程如何等待條件 a==b 變?yōu)?br /> true。

pthread _mutex_ lock(&mutex);
while (a != b)
pthread_cond _wait(&mutex, &cond var);
pthread _mutex_ unlock(&mutex);

與條件變量關(guān)聯(lián)的互斥鎖在調(diào)用pthread_cond_wait（）函數(shù)之前，應(yīng)加鎖，因?yàn)楸Ｗo(hù)條件語(yǔ)句中的數(shù)據(jù)，避免競(jìng)爭(zhēng)條件。一旦獲得鎖，線(xiàn)程可以檢查條件。如果條件不成立，然后線(xiàn)程調(diào)用 pthread_cond_wait（），傳遞互斥鎖和條件變量作為參數(shù)。調(diào)用pthread_cond_wait（）釋放互斥鎖，從而允許另一個(gè)線(xiàn)程訪問(wèn)共享變量，也可更新其值，以便條件語(yǔ)句的計(jì)算結(jié)果為真。（為了防止程序錯(cuò)誤，重要的是將條件語(yǔ)句放在循環(huán)中，以便在被喚醒后重新檢查條件。）修改共享數(shù)據(jù)的線(xiàn)程可以調(diào)用 pthread_cond_signal（）函數(shù)，從而喚醒一個(gè)等待條件變量的線(xiàn)程。這個(gè)代碼如下：

pthread_ mutex_ lock(&mutex);
a = b;
pthread_ cond_ signal(&cond var);
pthread _mutex_ unlock(&mutex);

需要注意的是，調(diào)用pthread_cond_signal（）不會(huì)釋放互斥鎖。隨后調(diào)用pthread_mutex_unlock（）釋放互斥鎖。一旦互斥鎖被釋放,喚醒線(xiàn)程成為互斥鎖的所有者，并將控制權(quán)返回到對(duì)pthread cond wait（）的調(diào)用。

二、題目解析

題目是書(shū)上的哲學(xué)家就餐問(wèn)題，要求用互斥鎖解決。
這題的關(guān)鍵在于筷子這個(gè)資源的合理使用，書(shū)上給出了三種不同的解決思路：

在這里插入圖片描述

其實(shí)三種方法的核心就是為了解決死鎖問(wèn)題。

什么是死鎖呢？

用專(zhuān)業(yè)點(diǎn)的話(huà)說(shuō)就是：一組互相競(jìng)爭(zhēng)資源的線(xiàn)程因互相等待，導(dǎo)致“永久”阻塞的現(xiàn)象。

說(shuō)白了，就是你拿了我想要拿的資源，我拿了你想要拿的資源，而雙方各執(zhí)一詞，導(dǎo)致一直無(wú)法解決問(wèn)題。

那我的思路就是：

雙方各退一步，當(dāng)發(fā)現(xiàn)我想要的資源不夠我完成我所需的事情時(shí)，那就把之前拿到的資源放回。這樣就不會(huì)導(dǎo)致雙方互相等待導(dǎo)致死鎖的情況。

當(dāng)然思路不止一種，在極客時(shí)間的Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)中有講到死鎖發(fā)生的條件：

只有以下這四個(gè)條件都發(fā)生時(shí)才會(huì)出現(xiàn)死鎖：
互斥，共享資源 X 和 Y 只能被一個(gè)線(xiàn)程占用；占有且等待，線(xiàn)程 T1 已經(jīng)取得共享資源 X，在等待共享資源 Y 的時(shí)候，不釋放共享資源 X；不可搶占，其他線(xiàn)程不能強(qiáng)行搶占線(xiàn)程 T1 占有的資源；循環(huán)等待，線(xiàn)程 T1 等待線(xiàn)程 T2 占有的資源，線(xiàn)程 T2 等待線(xiàn)程 T1 占有的資源，就是循環(huán)等待。

如何解決死鎖呢？打破任意一個(gè)條件即可。

其中，互斥這個(gè)條件我們沒(méi)有辦法破壞，因?yàn)槲覀冇面i為的就是互斥。不過(guò)其他三個(gè)條件都是有辦法破壞掉的，到底如何做呢？
對(duì)于“占用且等待”這個(gè)條件，我們可以一次性申請(qǐng)所有的資源，這樣就不存在等待了。對(duì)于“不可搶占”這個(gè)條件，占用部分資源的線(xiàn)程進(jìn)一步申請(qǐng)其他資源時(shí)，如果申請(qǐng)不到，可以主動(dòng)釋放它占有的資源，這樣不可搶占這個(gè)條件就破壞掉了。對(duì)于“循環(huán)等待”這個(gè)條件，可以靠按序申請(qǐng)資源來(lái)預(yù)防。所謂按序申請(qǐng)，是指資源是有線(xiàn)性順序的，申請(qǐng)的時(shí)候可以先申請(qǐng)資源序號(hào)小的，再申請(qǐng)資源序號(hào)大的，這樣線(xiàn)性化后自然就不存在循環(huán)了。

好了，回到正題上來(lái)，既然我們的思路就是拿不到資源就選擇退讓?zhuān)覀兛梢越栌肑ava里的ReentrantLock類(lèi)中trylock（）方法實(shí)現(xiàn)，該方法的作用就是嘗試鎖住該資源。和lock（）方法不同的是，如果該資源已經(jīng)上鎖，那么線(xiàn)程不會(huì)阻塞，而是返回flase，表示無(wú)法上鎖，當(dāng)然還可以加入?yún)?shù)讓它再?lài)L試幾秒，比如：

lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS))；

而具體用法就是

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

三、代碼實(shí)現(xiàn)

package com.dreamchaser.concurrent;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 哲學(xué)家就餐問(wèn)題
 */
public class Proj3_02 {
    static final Lock[] locks=new Lock[5];
    static {
        for (int i=0;i<locks.length;i++){
            locks[i]=new ReentrantLock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Philosopher philosopher0=new Philosopher("張三",1000,0);
        Philosopher philosopher1=new Philosopher("李四",800,1);
        Philosopher philosopher2=new Philosopher("王五",400,2);
        Philosopher philosopher3=new Philosopher("jhl",2000,3);
        Philosopher philosopher4=new Philosopher("ghlcl",2000,4);
        philosopher0.start();
        philosopher1.start();
        philosopher2.start();
        philosopher3.start();
        philosopher4.start();
        //死循環(huán)，防止主線(xiàn)程退出導(dǎo)致進(jìn)程關(guān)閉
        while (true){}
    }

    static class Philosopher extends Thread{
        private String name;
        private long time;
        private int num;

        public Philosopher(String name, long time, int num) {
            this.name = name;
            this.time = time;
            this.num = num;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true){
                System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"正在思考...");
                //模擬思考的過(guò)程
                try {
                    Thread.sleep(time);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"餓了，想來(lái)吃飯...");
                if (locks[num].tryLock()){
                    try {
                        System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"拿到了左邊的筷子！");
                        if (locks[(num+1)%5].tryLock()){
                            try {
                                System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"拿到了右邊的筷子！");
                                System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"開(kāi)始吃飯！");
                                //模擬哲學(xué)家吃飯的過(guò)程
                                Thread.sleep(time);
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            } finally {
                                System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"放下了右邊的筷子！");
                                locks[(num+1)%5].unlock();
                            }
                        }else {
                            System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"沒(méi)拿到了右邊的筷子！被迫思考...");
                        }
                    }finally {
                        System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"放下了左邊的筷子！");
                        locks[num].unlock();
                    }
                }else {
                    System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"沒(méi)拿到了左邊的筷子！被迫思考...");
                }
                System.out.println(num+"號(hào)哲學(xué)家"+name+"思考ing...");
                //模擬思考過(guò)程
                try {
                    Thread.sleep(time);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}