LeetCode-1226.哲学家进餐
LeetCode-1226.哲学家进餐
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题目描述
5 个沉默寡言的哲学家围坐在圆桌前，每人面前一盘意面。叉子放在哲学家之间的桌面上。（5 个哲学家，5 根叉子）
所有的哲学家都只会在思考和进餐两种行为间交替。哲学家只有同时拿到左边和右边的叉子才能吃到面，而同一根叉子在同一时间只能被一个哲学家使用。每个哲学家吃完面后都需要把叉子放回桌面以供其他哲学家吃面。只要条件允许，哲学家可以拿起左边或者右边的叉子，但在没有同时拿到左右叉子时不能进食。
假设面的数量没有限制，哲学家也能随便吃，不需要考虑吃不吃得下。
设计一个进餐规则（并行算法）使得每个哲学家都不会挨饿；也就是说，在没有人知道别人什么时候想吃东西或思考的情况下，每个哲学家都可以在吃饭和思考之间一直交替下去。
哲学家从 0 到 4 按 顺时针 编号。请实现函数：
void wantsToEat(
philosopher, //哲学家的编号
pickLeftFork, //表示拿起左边
pickRightFork, //拿起右边的叉子
eat, //吃面
putLeftFork, //放下左边的叉子
putRightFork)//放下右边的叉子
//由于哲学家不是在吃面就是在想着啥时候吃面，所以思考这个方法没有对应的回调。
给你 5 个线程，每个都代表一个哲学家，请你使用类的同一个对象来模拟这个过程。在最后一次调用结束之前，可能会为同一个哲学家多次调用该函数。
示例：
输入：n = 1
输出：[[4,2,1],[4,1,1],[0,1,1],[2,2,1],[2,1,1],[2,0,3],[2,1,2],[2,2,2],[4,0,3],[4,1,2],[0,2,1],[4,2,2],[3,2,1],[3,1,1],[0,0,3],[0,1,2],[0,2,2],[1,2,1],[1,1,1],[3,0,3],[3,1,2],[3,2,2],[1,0,3],[1,1,2],[1,2,2]]
解释:
n 表示每个哲学家需要进餐的次数。- 1<=n<=60
输出数组描述了叉子的控制和进餐的调用，它的格式如下：
output[i] = [a, b, c] (3个整数)
- a 哲学家编号。
- b 指定叉子：{1 : 左边, 2 : 右边}.
- c 指定行为：{1 : 拿起, 2 : 放下, 3 : 吃面}。
如 [4,2,1] 表示 4 号哲学家拿起了右边的叉子。
解题思路
主流程
哲学家如果想吃面，就会尝试先拿起左手边的叉子，再尝试拿起右手边的叉子，如果某个叉子被其他人使用了，他就得等待他人用完，用完之后他人自然会把叉子放回原位，接着他把叉子拿起来就可以吃了。
主流程代码
public void wantsToEat(int philosopher,
Runnable pickLeftFork,
Runnable pickRightFork,
Runnable eat,
Runnable putLeftFork,
Runnable putRightFork) throws InterruptedException {
//意面数量没有限制，哲学家可以随便吃
while(true){
//思考
...
pickLeftFork.run();
pickRightFork.run();
eat.run();
putLeftFork.run();
putRightFork.run();
}
}
哲学家吃饭之前必须先拿起左手的叉子，再拿右手的叉子，然后才能开始吃面，吃完先放左手的叉子，再放右手的叉子
可能存在的风险
根据逻辑规定，当哲学家-1拿起左手边的叉子之后下一步就要去拿右手边的叉子，由于哲学家不是在吃饭就是在思考，如果哲学家-1右边的哲学家-2在思考，那么哲学家-1右边的叉子就是空闲的，如果哲学家-1右边的哲学家-2正在吃面，那么哲学家-1就需要等他右边的哲学家-2吃完面放下叉子才开始吃面。
但是如果每个哲学家都同时拿起自己左手边的叉子，那么就形成了环形依赖，这种情况下，每个人都只有左手的叉子缺少右手的叉子，那么就没有人可以开始吃饭了，也就没有人会放下手中的叉子，就会陷入死锁，互相等待其他人手中的叉子。
死锁原因
哲学家吃面问题的风险是死锁，我们知道死锁的发生有四个必要条件：
1. 互斥条件：每个资源每次只能被一个线程使用，因为如果每个线程随时都可以拿到想要的资源，那就不需要等待，也就不会发生死锁；
2. 请求与保持条件：当一个线程因请求资源而阻塞时，需要对已获得的资源保持不放。如果线程请求资源时被阻塞后会自动释放资源，等待该资源的线程一旦拿到这个资源，也就不会形成死锁了；
3. 不剥夺条件：线程一旦获得资源，在未使用前，不会被强行剥夺。也就是说当现在的线程获得某个资源后，其他线程就不能剥夺这个资源；
4. 循环等待条件：若干个线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系，才有可能形成死锁。比如两个线程A\B，只有当A持有o1资源，B持有o2资源，同时A在等待o2资源，B在等待o1资源，AB线程形成了循环等待；
死锁代码示例：
if(conditionA){
synchronized(o1){
synchronized(o2){}
}
}
if(conditionB){
synchronized(o2){
synchronized(o1){}
}
}
解决方案
根据以上分析，要想让哲学家都能吃上面，我们可以从发生死锁的必要条件着手破解这个问题。
1. 一个叉子可以被同时使用：如果我们需要对叉子这个资源进行写操作，显然同时写是无法保证线程安全的。但是我们可以从另外一个方面考虑，减少锁的竞争，比如限制同时就餐的哲学家人数；比如串行执行；
2. 主动释放资源，破坏请求与保持：总体思路就是要么拿到2个叉子要么1个叉子也拿不到。哲学家先拿左手的叉子，再拿右手的叉子，如果拿到了左手的叉子但是拿不到右手的叉子，则放弃左手的叉子同时放弃拿右手叉子的机会；
3. 不剥夺条件变为可以剥夺条件：引入一个线程定期巡检，如果该线程发现发生了死锁，就剥夺某一个哲学家的叉子，让他主动让出手中的叉子。这样一来其他哲学家就有机会吃面；
4. 破坏循环等待的条件：可以让序号为偶数的哲学家先拿左手的叉子再拿右手的叉子，序号为奇数的哲学家则先拿右手的叉子，再拿左手的叉子；比如有一个转账方法:
//这样写可能发生死锁
transferMoney(Account from, Account to, int amount){
synchronized(from){
synchronized(to)
}
}
//实际上我们在转账的操作中并不在乎锁的顺序
transferMoney(Account from, Account to, int amount){
if （to > from）{
Account tmp = from;
from = to;
to = tmp;
}
synchronized(from){
synchronized(to)
}
}
代码实现
简单粗暴,直接上锁
class DiningPhilosophers {
public DiningPhilosophers() {}
// call the run() method of any runnable to execute its code
public void wantsToEat(int philosopher,
Runnable pickLeftFork,
Runnable pickRightFork,
Runnable eat,
Runnable putLeftFork,
Runnable putRightFork) throws InterruptedException {
//直接锁
synchronized(DiningPhilosophers.class){
pickLeftFork.run();
pickRightFork.run();
eat.run();
putLeftFork.run();
putRightFork.run();
}
}
}
限制同时持有叉子的哲学家的数量
class DiningPhilosophers {
public DiningPhilosophers() {}
//5个叉子最多可以供2位哲学家同时就餐
private final Semaphore semaphere = new Semaphore(2);
//代表5个叉子
private final ReentrantLock[] locks = {
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
};
// call the run() method of any runnable to execute its code
public void wantsToEat(int philosopher,
Runnable pickLeftFork,
Runnable pickRightFork,
Runnable eat,
Runnable putLeftFork,
Runnable putRightFork) throws InterruptedException {
semaphere.acquire();
int leftFork= (philosopher+1)%5;
int rightFork = philosopher;
locks[leftFork].lock();
locks[rightFork].lock();
try{
pickLeftFork.run();
pickRightFork.run();
eat.run();
putLeftFork.run();
putRightFork.run();
semaphere.release();
}finally{
locks[leftFork].unlock();
locks[rightFork].unlock();
}
}
}
改变若干哲学家拿起叉子的顺序
class DiningPhilosophers {
public DiningPhilosophers() {}
//代表5个叉子
private final ReentrantLock[] locks = {
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
};
// call the run() method of any runnable to execute its code
public void wantsToEat(int philosopher,
Runnable pickLeftFork,
Runnable pickRightFork,
Runnable eat,
Runnable putLeftFork,
Runnable putRightFork) throws InterruptedException {
int leftFork= (philosopher+1)%5;
int rightFork = philosopher;
//序号为偶数时，先拿左手叉子，再拿右手叉子
if(philosopher%2==0){
locks[leftFork].lock();
locks[rightFork].lock();
}else{
locks[rightFork].lock();
locks[leftFork].lock();
}
try{
pickLeftFork.run();
pickRightFork.run();
eat.run();
putLeftFork.run();
putRightFork.run();
}finally{
locks[leftFork].unlock();
locks[rightFork].unlock();
}
}
}
主动放弃获取资源的机会
class DiningPhilosophers {
public DiningPhilosophers() {}
//代表5个叉子
private final ReentrantLock[] locks = {
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
new ReentrantLock(),
};
// call the run() method of any runnable to execute its code
public void wantsToEat(int philosopher,
Runnable pickLeftFork,
Runnable pickRightFork,
Runnable eat,
Runnable putLeftFork,
Runnable putRightFork) throws InterruptedException {
int leftFork= (philosopher+1)%5;
boolean isEated=false;
while(!isEated){
if(locks[leftFork].tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)){
try{
int rightFork = philosopher;
if(locks[rightFork].tryLock()){
try{
pickLeftFork.run();
pickRightFork.run();
eat.run();
putLeftFork.run();
putRightFork.run();
isEated=true;
// return;
}finally{
locks[rightFork].unlock();
}
}else{
//locks[leftFork].unlock();
}
}finally{
locks[leftFork].unlock();
}
}
}
}
}
