Задача об обедающих философах

В некотором царстве, в некотором государстве жили вместе пять философов. Жизнь каждого из них проходила в основном в размышлениях, прерываемых приемом пищи. Философы давно сошлись во мнении, что только спагетти в состоянии восстанавливать их подточенные непрерывными размышлениями силы.

Питались они за одним круглым столом (см. рис. 6.9), на который помещалось большое блюдо со спагетти, пять тарелок, по одной для каждого философа, и пять вилок. Проголодавшийся философ садится на свое место за столом и, пользуясь двумя вилками, приступает к еде. Задача состоит в том, чтобы разработать ритуал (читай — алгоритм) обеда, который обеспечивает взаимоисключения (два философа не могут одновременно пользоваться одной вилкой) и не допускает взаимоблокировок и голодания (обратите внимание, насколько уместен оказался этот термин в данной задаче!).

Эта задача Дейкстры хорошо иллюстрирует проблемы взаимоблокировок и голодания. Кроме того, при решении данной задачи приходится сталкиваться со многими трудностями в организации параллельных вычислений (см., например, [GING90]). Задача об обедающих философах может рассматриваться как типичная задача, возникающая в многопоточных приложениях при работе с совместно используемыми ресурсами и, соответственно, может выступать в качестве тестовой при разработке новых подходов к проблеме синхронизации.

В листинге 6.2 предложено решение этой задачи с использованием семафоров. Каждый философ, садясь за стол, сначала берет левую вилку, а затем правую. После того как философ пообедает, использованные им вилки заменяются. Увы, такое решение может привести к взаимоблокировке, если философы, одновременно проголодавшись, все вместе сядут за стол и одновременно возьмут лежащие слева вилки. В этой неприятной ситуации им придется голодать.

Листинг 6.2. Первое решение задачи об обедающих философах

semaphore fork[5]  =  {1};
int i ;
void philosopher(int  i)
(
while(true) {
think(); wait(fork[i]); wait(fork[(i+1) mod 5]); eat () ;
signal(fork[(i+1) mod 5]); signal(fork[i]); } }
void main ()
(
parbegin(philosopher(0),philosopher(1),
philosopher(2),philosopher(3),
philosopher(4));
)     

Чтобы избежать риска взаимоблокировки, можно купить еще пять вилок (кстати, самое подходящее решение задачи с точки зрения гигиены!) или научить философов есть спагетти одной вилкой. Еще один подход состоит в том, чтобы нанять вышибалу, который не позволит пяти философам садиться за стол одновременно. Если же за столом соберутся не более четырех философов, то по крайней мере один из них сможет воспользоваться двумя вилками. В листинге 6.3 приведено соответствующее решение задачи (вновь с использованием семафоров). Ни взаимоблокировок, ни голодания при таком решении просто не может быть.

Листинг 6.3. Второе решение задачи об обедающих философах

semaphore fork[5] = {1};
semaphore room = {4};
int i;
void philosopher(int i)
{
while(true) {
think();
wait(room);
wait(forkfi]);
wait(forkt(i+1) mod 5]);
eat ();
signal(fork[(i+1) mod 5]); signal(fork[i]); signal(room); } }
void main() {
parbegin(philosopher(0),philosopher(1),
philosopher(2),philosopher(3),
philosopher (4));
}