linux 哲学家就餐问题

一、基础概念

哲学家就餐问题是一个经典的并发控制问题。

场景描述
- 有五个哲学家围坐在一张圆形餐桌旁，每个哲学家之间有一根筷子（资源）。
- 哲学家的状态有三种：思考、饥饿、进食。
- 为了进食，哲学家需要同时拿起他左右两边的筷子。如果所有哲学家同时拿起左边的筷子，就会导致死锁，因为没有哲学家能够拿到两根筷子来进食。

涉及的并发概念
- 这个问题主要涉及到多线程（这里可以类比为多个哲学家进程）对共享资源（筷子）的竞争访问。如果并发控制不当，就会出现诸如死锁、饥饿等问题。

二、相关类型（从并发问题角度）

死锁类型
- 在哲学家就餐问题中典型的死锁情况是循环等待。每个哲学家都在等待右边哲学家释放筷子（资源），形成了一个循环的等待链。

饥饿类型（可能情况）
- 如果采用简单的资源分配策略，可能会导致某些哲学家长时间无法获取到两根筷子而处于饥饿状态。例如，总是优先满足部分哲学家的资源请求，而忽略其他哲学家。

三、应用场景

操作系统资源管理
- 类似于操作系统中多个进程对硬件资源（如内存、I/O设备等）的竞争。如果把硬件设备看作筷子，进程看作哲学家，就可以类比这个问题来设计资源分配算法，避免死锁等情况。

分布式系统资源分配
- 在分布式系统中，多个节点可能对共享的网络资源、存储资源等进行竞争。例如多个服务器节点竞争访问共享的存储卷，就可以借鉴哲学家就餐问题的解决思路。

四、问题出现的原因（以死锁为例）

互斥条件
- 筷子（资源）一次只能被一个哲学家（进程）使用，这是资源的互斥性。

请求和保持条件
- 哲学家（进程）已经保持了左边筷子（资源），同时又提出对右边筷子（资源）的请求，但是右边筷子已经被其他哲学家占用，于是该哲学家就阻塞等待，而其他哲学家也处于类似情况，从而导致死锁。
不可剥夺条件
- 筷子（资源）不能被强制剥夺，只能由使用它的哲学家（进程）主动释放。
循环等待条件
- 如前面所述，哲学家们形成了一个循环等待链，每个哲学家都在等待下一个哲学家释放筷子。

五、解决方法

资源分级法
- 给筷子（资源）编号，哲学家总是先拿编号小的筷子，再拿编号大的筷子。例如，对于每个哲学家，他左边的筷子编号为奇数，右边的筷子编号为偶数，哲学家先拿编号小的筷子。这样可以避免循环等待。
- 示例代码（伪代码）：

# 假设筷子用数字0 - 4表示
chopsticks = [0, 1, 2, 3, 4]
philosophers = []

class Philosopher:
    def __init__(self, id):
        self.id = id

    def pick_up_chopsticks(self):
        left = self.id
        right = (self.id + 1) % 5
        if chopsticks[left] < chopsticks[right]:
            first = left
            second = right
        else:
            first = right
            second = left
        # 尝试获取筷子
        if acquire_chopstick(first) and acquire_chopstick(second):
            eat()
            release_chopstick(first)
            release_chopstick(second)

def acquire_chopstick(chopstick_id):
    if chopsticks[chopstick_id]==0:
        chopsticks[chopstick_id]=1
        return True
    return False

def release_chopstick(chopstick_id):
    chopsticks[chopstick_id]=0

for i in range(5):
    p = Philosopher(i)
    philosophers.append(p)

# 启动哲学家就餐过程（这里简化处理）
for p in philosophers:
    p.pick_up_chopsticks()