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LeetCode-1226.哲学家进餐

US-B.Ralph
US-B.Ralph
2020-02-012020-02-02

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();
                }
            }
        }
    }
}

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