用C语言多线程描述哲学家,并行程序设计-哲学家就餐问题
并行程序设计第4次作业——哲学家就餐问题
一、问题描述
五个沉默的哲学家围坐在一个圆桌旁,桌上放着几碗意大利面。叉子被放置在每一对相邻的哲学家之间。每个哲学家必须交替地思考和进餐。然而,哲学家只能在有左右叉子的情况下才能吃意大利面。每个叉子只能被一个哲学家拿着,所以一个哲学家只能在没有被另一个哲学家使用的情况下使用它。当一位哲学家吃完饭后,他们需要把两把叉子放下,这样其他人就可以享用这些叉子了。哲学家只能在他们有空的时候拿右手或左手的叉子,在拿两副叉子之前他们不能开始吃东西。每个哲学家有3种状态{thinking,trying,eating}。吃东西不受剩余的意大利面或胃空间的限制,假设有一个无限的供给和一个无限的需求。问题是如何设计一种行为准则(并发算法),以确保没有哲学家挨饿;也就是说,每一种都可以永远在吃饭和思考之间交替,假设没有一个哲学家可以知道其他人什么时候可能想吃饭或思考。
二、概要设计
编程语言使用IEEE Posix Thread库与C语言实现。本次实验采用多线程解决哲学家就餐问题。由于哲学家的刀叉是共享变量,所以使用信号量实现互斥。线程个数(-n)即为哲学家个数,同时为每个叉子定义对应的信号量。每个哲学家在试图使用餐叉的时候需要先进行sem_wait,当拿到两个餐叉后,哲学家就能eating,eating完之后使用sem_post解锁这两个餐叉。
三、避免死锁的策略
method1:
解法:允许最多 thread_count - 1 个哲学家同时进入餐厅尝试获取餐叉,剩下的一个哲学家只有在有人吃完出去的时候才进去。这样就能保证起码有一个人能够同时获得两个餐叉,从而eating,避免大家都处于trying的状态。这种解法也能理解为引入一个餐厅服务生,哲学家必须经过他的允许才能拿起餐叉。当同时有 thread_count - 1 个餐叉被请求时,若是其他哲学家请求最后一个餐叉,服务生会让他等待。
实现方法:增加一个信号量sem_waiter,其初始值为thread_count - 1,每个线程trying时会先sem_wait(&sem_waiter),在请求到两个餐叉并且eating后,再解锁两个叉子并使用sem_post(&sem_waiter)通知服务生。
method2:
解法:使用非对称解决方案。即单号的哲学家先拿起左边的叉子,接着右边的叉子;而双号的哲学家先拿起右边的叉子,接着左边的叉子。
实现方法:获取当前线程的编号,如果是奇数号线程就先请求左边的餐叉,然后请求右边的餐叉;如果是偶数好线程就先请求右边的餐叉,然后请求左边的餐叉。
四、实验
编译:gcc -g -Wall -o philosopher philosopher.c -lpthread
运行:./philosopher -normal n 哲学家个数 ./philosopher -method1 n 哲学家个数 ./philosopher -method2 n 哲学家个数
五、分析
1. -normal
正常状态下哲学家遵守以下规则:
哲学家在左边的叉子可用(没有其他人拿起)之前处于思考状态。如果左边的叉子可用,就拿起来。
哲学家等待右边的叉子可用。如果右边的叉子可用,就拿起来。
如果两个叉子都已经拿起来,开始吃意大利面,每次吃面都花费同样的时间。
吃完后先放下左边的叉子。
然后放下右边的叉子。
开始思考(进入一个循环)
但这种解法是失败的,当每个哲学家都拿起左侧的叉子,等待右侧的叉子可用时,就会进入死锁状态,每个哲学家将永远都在等待(右边的)另一个哲学家放下叉子。
2. -method1
至多只允许四个哲学家同时进餐,以保证至少有一个哲学家能够进餐,最终总会释放出他所使用过的两支筷子,从而可使更多的哲学家进餐。以下将sem_waiter作为信号量,只允许thread_count - 1个哲学家同时进入餐厅就餐,这样就能保证至少有一个哲学家可以就餐,而申请进入餐厅的哲学家进入sem_waiter的等待队列,根据FIFO的原则,总会进入到餐厅就餐,因此不会出现饿死和死锁的现象。
3.-method2
规定奇数号的哲学家先拿起他左边的筷子,然后再去拿他右边的筷子;而偶数号的哲学家则相反。按此规定,将是1、2号哲学家竞争1号筷子,3、4号哲学家竞争3号筷子。即五个哲学家都竞争奇数号筷子,获得后,再去竞争偶数号筷子,最后总会有一个哲学家能获得两支筷子而进餐。而申请不到的哲学家进入阻塞等待队列,根FIFO原则,则先申请的哲学家会较先可以吃饭,因此不会出现饿死的哲学家。
六、源代码
#include
#include
#include
#include
#include
#include
long thread_count; //线程个数,即哲学家个数
sem_t *sem_fork; //定义一组餐叉的信号量
sem_t sem_waiter; //method1中用到的信号量,用于确保至少一个人不能进餐
void *Philo_normal(void *rank); //一般方法,会陷入死锁
void *Philo_method1(void *rank); //方法1,服务生方法
void *Philo_method2(void *rank); //方法2,非对称解决方案
int main(int argc, char *argv[])
{
long thread;
pthread_t *thread_handles;
//获取线程个数,本实验中也代表哲学家人数
thread_count = strtol(argv[2], NULL, 10);
thread_handles = malloc (thread_count * sizeof(pthread_t));
sem_fork = malloc (thread_count * sizeof(sem_t));
//初始化waiter信号量
sem_init(&sem_waiter, 0, thread_count-1);
//初始化所有叉子信号量
for(long i = 0; i < thread_count; i ++ ){
sem_init(&sem_fork[i], 0, 1);
}
//创建线程
for(thread = 0; thread < thread_count; thread++ ){
//根据参数进入相应的处理函数
if(strcmp(argv[1], "-normal") == 0)
pthread_create(&thread_handles[thread], NULL, Philo_normal, (void *)thread);
else if(strcmp(argv[1], "-method1") == 0)
pthread_create(&thread_handles[thread], NULL, Philo_method1, (void *)thread);
else if(strcmp(argv[1], "-method2") == 0)
pthread_create(&thread_handles[thread], NULL, Philo_method2, (void *)thread);
}
//停止线程
for(thread = 0; thread < thread_count; thread ++ )
pthread_join(thread_handles[thread], NULL);
//销毁餐叉信号量
for(long i = 0; i < thread_count; i ++ ){
sem_destroy(&sem_fork[i]);
}
//销毁服务生信号量
sem_destroy(&sem_waiter);
//释放空间
free(thread_handles);
free(sem_fork);
return 0;
}
//一般方法,会陷入死锁
void *Philo_normal(void *rank)
{
long my_rank = (long)rank;
long my_left_fork, my_right_fork; //表示每个哲学家左右的叉子
my_left_fork = my_rank;
my_right_fork = (my_rank + 1) % thread_count;
while(1){
printf("Philosopher %ld is thinking\n", my_rank);
//把进程挂起一段时间, 单位是微秒(百万分之一秒);
//usleep( (rand()%91 + 10)*1000 );
//本来应该随机挂起10-100ms,这里为了更快的检测死锁,将时间改为固定的50ms
usleep(50);
printf("Philosopher %ld is trying\n", my_rank);
sem_wait(&sem_fork[my_left_fork]);
sem_wait(&sem_fork[my_right_fork]);
printf("Philosopher %ld is eating\n", my_rank);
//usleep( (rand()%91 + 10)*1000 );
usleep(100);
sem_post(&sem_fork[my_left_fork]);
sem_post(&sem_fork[my_right_fork]);
}
}
//方法1,服务生方法
void *Philo_method1(void *rank)
{
long my_rank = (long)rank;
//哲学家左右的叉子
long my_left_fork, my_right_fork;
my_left_fork = my_rank;
my_right_fork = (my_rank + 1) % thread_count;
while(1){
printf("Philosopher %ld is thinking\n", my_rank);
//usleep( (rand()%91 + 10)*1000 ); //think 10-100 ms
usleep(50);
printf("Philosopher %ld is trying\n", my_rank);
//添加一个waiter信号量确保每个时刻最少一个人没有进去就餐
sem_wait(&sem_waiter);
sem_wait(&sem_fork[my_left_fork]);
sem_wait(&sem_fork[my_right_fork]);
printf("Philosopher %ld is eating\n", my_rank);
//usleep( (rand()%91 + 10)*1000 ); //eating 10-100 ms
usleep(100);
sem_post(&sem_fork[my_left_fork]);
sem_post(&sem_fork[my_right_fork]);
sem_post(&sem_waiter);
}
}
//方法2,非对称解决方案
void *Philo_method2(void *rank)
{
long my_rank = (long)rank;
//表示哲学家左右的叉子
long my_left_fork, my_right_fork;
//奇数先左叉后右叉,偶数先右叉后左叉
if(my_rank % 2 == 1){
my_left_fork = (my_rank + 1) % thread_count;
my_right_fork = my_rank;
}
else{
my_left_fork = my_rank;
my_right_fork = (my_rank + 1) % thread_count;
}
while(1){
printf("Philosopher %ld is thinking\n", my_rank);
//usleep( (rand()%91 + 10)*1000 ); //think 10-100 ms
usleep(50);
printf("Philosopher %ld is trying\n", my_rank);
sem_wait(&sem_fork[my_left_fork]);
sem_wait(&sem_fork[my_right_fork]);
printf("Philosopher %ld is eating\n", my_rank);
//usleep( (rand()%91 + 10)*1000 ); //eating 10-100 ms
usleep(100);
sem_post(&sem_fork[my_left_fork]);
sem_post(&sem_fork[my_right_fork]);
}
}
七、参考
用C语言多线程描述哲学家,并行程序设计-哲学家就餐问题相关推荐
- 用C语言多线程描述哲学家,C语言多线程之“哲学家就餐”问题
问题描述: 有五个哲学家,他们的生活方式是交替地进行思考和进餐.他们共用一张圆桌,分别坐在五张椅子上.在圆桌上有五个碗和五支筷子,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 ...
- 奥鹏20春季1903C语言,奥鹏20春学期《并行程序设计》在线作业
1,n个数求和的串行程序,通过一个循环将每个数累加到全局变量sum中,其多线程版本简单将循环范围改变为每 个线程负载的范围,存在的问题是____. A 负载不均 B 通信开销大 C CPU空闲等待严重 ...
- linux线程并不真正并行,多核时代:并行程序设计探讨(3)——Windows和Linux对决(多进程多线程)...
并行程序设计探讨(3)--Windows和Linux对决(多进程多线程) 前面的博文经过分析总结,最后得出两种并行技术:多进程多线程.多机协作.对于多进程和多线程来说,最有代表性且最常见的的莫过于Wi ...
- c语言mpi并行程序,高性能计算之并行编程技术MPI并行程序设计(完整版).pdf
高性能计算之并行编程技术MPI并行程序设计(完整版) 高性能计算之并行编程技术 -- MPI并行程序设计 都志辉 编著 李三立 审阅 陈渝 刘鹏 校对 I 内容提要 本书介绍目前最常见的并行程序- M ...
- c语言 mpi程序设计,MPI并行程序设计-基础
有两门课的作业要用到MPI,"高性能计算环境"和"并行与分布式系统",所以简单了解了一下MPI的基础知识.MPI并不是并行程序设计的唯一方法,但却是一种行之有效 ...
- 并行程序设计——OMP编程
并行程序设计--OMP编程 实验一 实验内容 分别实现课件中的梯形积分法的Pthread.OpenMP版本,熟悉并掌握OpenMP编程方法,探讨两种编程方式的异同. 实验代码 OpenMP编程 #in ...
- 并行程序设计报告(MPI并行计算π,实现mandelbrot集)
代码的github地址 一.熟悉MPI并行程序设计环境 1.硬件 电脑:HP暗夜精灵 内存:4G 处理器:ntel® Core™ i5-6300HQ CPU @ 2.30GHz × 4 显卡:NVID ...
- 基于mpi的奇偶排序_并行程序设计(第2版)pdf
并行程序设计(第2版) 内容简介 本书系统介绍并行程序设计原理及应用.除介绍常用的一些算法范例,包括分治.流水.同步计算.主从及工作池,还介绍了一些常用的经典数值和非数值算法,如排序.矩阵相乘.线性方 ...
- 实战matlab之并行程序设计.pdf,实战Matlab之并行程序设计_IT教程网
资源名称:实战Matlab之并行程序设计 内容简介: <实战Matlab之并行程序设计>通过阅读和学习,读者可以掌握基于多种平台(多核.多处理器.集群和GPU等),利用多项技术(Matla ...
- linux下c语言线程传参数,【linux】C语言多线程中运行线程池,在线程池中运行线程池,,传递的结构体参数值为空/NULL/0...
C语言多线程中运行线程池,在线程池中运行线程池,,传递的结构体参数值为空/NULL/0 本贴问题,之前已经提问过一次,当时已经解决了,原贴在这里https://segmentfault.com/q/1 ...
最新文章
- Flex与.NET互操作(五):使用FileReference+HttpHandler实现文件上传/下载
- 如何计算近似纳什均衡_通证经济系列之纳什均衡
- 基于.NET Socket API 通信的综合应用
- 第二节:使用IDEA创建React APP 并启动
- Beginning Python chapter 1 Instant Hacking The Basics 2: Comments Strings
- sublime配置python开发环境_【教程】把Sublime Text 2用作Python的IDE去实现Python的开发...
- CSDN下载码怎么使用
- 大数据分析-实验八 鸢尾花数据集分类
- python爬虫实战万年历
- 地震数据的获取与处理
- java星空屏幕,CorelDraw 制作宇宙星空
- 平均数、中位数、众数,在分析中如何使用?
- 几个国内的 apple 相关社区
- Java未来城市练习代码01
- 蛋白质二级、三级结构预测
- 小学生日常行为规范PPT模板
- 阿里升级多项员工福利:7天全薪陪伴假、可灵活办公
- 【算法1-3】暴力枚举——PERKET
- https协议 的工作过程
- 浪潮server 2008服务器自动重启,Windows Server 2008 R2不定时自动重启,求解决办法。...