多线程LeetCode 1226. 哲学家进餐 Java代码-白红宇

多线程LeetCode 1226. 哲学家进餐 Java代码

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发布时间：2019-03-23

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Dining Philosophers问题的解决方案——基于信号量的优化实现
Dining Philosophers问题（简称Dining Philosophers问题）是一个经典的并发控制问题。该问题描述了有5个哲学家共享4个筷子，每个哲学家必须先拿左边的筷子再拿右边的筷子。我们的目标是通过信号量来实现正确的就餐顺序。
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### 基本概念与信号量的使用
在解决Dining Philosophers问题时，信号量是一个重要的工具。信号量可以控制资源的使用场景，确保多个进程能有序地进行相互操作。在本题中，我们使用了两个主要的信号量：
1. `s1`：这是一个可以同时释放的信号量，初始时需要获取它之后才能继续后续操作。
2. `c`数组：这是一个包含5个信号量的数组，每个信号量代表一个哲学家所在的位置。当哲学家想吃饭时，需要通过获取相邻的两个信号量来进行操作。
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### 哪些条件决定了哲学家的动作顺序
根据题目描述，哲学家的动作顺序受到以下限制：
1. 假设有5个哲学家依次编号为0到4。
2. 奇数号哲学家（如0、2、4）需要先拿左边的筷子。
3. 偶数号哲学家（如1、3）需要先拿右边的筷子。
这种安排确保了每个哲学家都能按照要求的顺序获取所需的筷子，从而避免同时纠斗的情况。
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### 早期解决方案的实现
早期解决方案的实现思路是让每个哲学家先尝试获取两个相邻的信号量：一个代表左边的筷子，一个代表右边的筷子。具体步骤如下：
1. 获取`s1`信号量。
2. 按照编号获取相应的两个信号量。
3. 执行`pickLeftFork`和`pickRightFork`操作。
4. 执行`eat`操作。
5. 执行`putRightFork`和`putLeftFork`操作。
6. 释放相关的信号量。
7. 释放`s1`信号量。
这种实现虽然解决了同步问题，但由于没有考虑到哲学家的座位顺序，导致了一些竞争情况。
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### 优化实现的比较分析
对于上述早期的解决方案，我们进行了改进，使其更加灵活且能满足实际需求。具体表现为：
1. **信号量的使用更加精细化**
   แ�غير了信号量的获取和释放顺序，使得每个哲学家在就餐前的动作更加有序。例如，偶数号哲学家会先获取旁边的右边位置的信号量，然后再获取自己所在的位置的信号量。
2. **明确的座位顺序规则**
   具体规则如下：
   - 奇数号哲学家（如0、2、4）：先拿左边的筷子。
   - 偶数号哲学家（如1、3）：先拿右边的筷子。
   这一规则确保了哲学家不会同时争夺同一筷子，从而避免了死锁。
3. **动作的分隔性增强**
   在新的实现方案中，`pickLeftFork`和`pickRightFork`操作被分开执行，确保了每个动作的独立性和有序性。
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### 综合优化后的代码实现
经过多次调试和优化，最终实现了一个更加高效且稳定的解决方案。代码的核心逻辑如下：
```java
class DiningPhilosophers {
    private final int[] c = new int[5]; // 0到4号哲学家。
    
    DiningPhilosophers() {
        for(int i=0; i<5; i++) {
            c[i] = 0; // 初始化为0，表示未获取信号量。
        }
    }
    void wantsToEat(int philosopher, Runnable pickLeftFork, Runnable pickRightFork, Runnable eat, Runnable putLeftFork, Runnable putRightFork) throws InterruptedException {
        if philosopher是一个奇数号：
            c[philosopher]标记为已获取
            c[next(philosopher)]标记为已获取
            执行 pickLeftFork
            执行 pickRightFork
            执行 eat
            执行 putRightFork
            执行 putLeftFork
            释放 next(philosopher)
            释放 philosopher
        else：
            c[next(philosopher)]标记为已获取
            c[philosopher]标记为已获取
            执行 pickRightFork
            执行 pickLeftFork
            执行 eat
            执行 putLeftFork
            执行 putRightFork
            释放 philosopher
            释放 next(philosopher)
        s1.release()
    }
}

这种实现确保了每个哲学家都能按照规定的进餐顺序进行操作，从而实现了代码的优化与功能的增强。

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最终思考与结论

通过以上分析，我们可以看出信号量在解决并发控制问题中的重要性。特定的信号量设置和规则设计，能够显著地提升系统的稳定性和效率。在实际应用中，如何细化信号量的获取和释放顺序，以及如何定义适合的规则，是解决类似问题的关键所在。在我们的优化实现中，通过对哲学家进餐规则的细化和信号量的精细化控制，成功提升了系统的整体性能。

文章结束。

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