哲学家就餐问题

问题描述
哲学家就餐问题也被称为刀叉问题，或者吃面问题。我们先来描述一下这个问题所要说明的事情，这个问题如下图所示：

有 5 个哲学家，他们面前都有一双筷子，即左手有一根筷子，右手有一根筷子。当然，这个问题有多个版本的描述，可以说是筷子，也可以说是一刀一叉，因为吃牛排的时候，需要刀和叉，缺一不可，也有说是用两把叉子来吃意大利面。这里具体是刀叉还是筷子并不重要，重要的是必须要同时持有左右两边的两个才行，也就是说，哲学家左手要拿到一根筷子，右手也要拿到一根筷子，在这种情况下哲学家才能吃饭。为了方便理解，我们选取和我国传统最贴近的筷子来说明这个问题。

为什么选择哲学家呢？因为哲学家的特点是喜欢思考，所以我们可以把哲学家一天的行为抽象为思考，然后吃饭，并且他们吃饭的时候要用一双筷子，而不能只用一根筷子。

1. 主流程

我们来看一下哲学家就餐的主流程。哲学家如果想吃饭，他会先尝试拿起左手的筷子，然后再尝试拿起右手的筷子，如果某一根筷子被别人使用了，他就得等待他人用完，用完之后他人自然会把筷子放回原位，接着他把筷子拿起来就可以吃了（不考虑卫生问题）。这就是哲学家就餐的最主要流程。

2. 流程的伪代码

根据我们的逻辑规定，在拿起左手边的筷子之后，下一步是去拿右手的筷子。大部分情况下，右边的哲学家正在思考，所以当前哲学家的右手边的筷子是空闲的，或者如果右边的哲学家正在吃饭，那么当前的哲学家就等右边的哲学家吃完饭并释放筷子，于是当前哲学家就能拿到了他右手边的筷子了。

但是，如果每个哲学家都同时拿起左手的筷子，那么就形成了环形依赖，在这种特殊的情况下，每个人都拿着左手的筷子，都缺少右手的筷子，那么就没有人可以开始吃饭了，自然也就没有人会放下手中的筷子。这就陷入了死锁，形成了一个相互等待的情况。代码如下所示：

/**
 * @author WGR
 * @create 2021/1/29 -- 14:08
 */
public class TestDeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Chopstick c1 = new Chopstick("1");
        Chopstick c2 = new Chopstick("2");
        Chopstick c3 = new Chopstick("3");
        Chopstick c4 = new Chopstick("4");
        Chopstick c5 = new Chopstick("5");
        new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();
        new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();
        new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();
        new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();
        new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.Philosopher")
class Philosopher extends Thread {
    Chopstick left;
    Chopstick right;

    public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //　尝试获得左手筷子
            synchronized (left) {
                // 尝试获得右手筷子
                synchronized (right) {
                    eat();
                }
            }
        }
    }

    Random random = new Random();
    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(0.5);
    }
}

class Chopstick {
    String name;

    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

结果：

活锁

活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束，例如

/**
 * @author WGR
 * @create 2021/1/29 -- 14:22
 */
@Slf4j(topic = "c.TestLiveLock")
public class TestLiveLock {
    static volatile int count = 10;
    static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            // 期望减到 0 退出循环
            while (count > 0) {
                sleep(0.2);
                count--;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            // 期望超过 20 退出循环
            while (count < 20) {
                sleep(0.2);
                count++;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t2").start();
    }
}

饥饿
很多教程中把饥饿定义为，一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束，饥饿的情况不易演示，讲读写锁时会涉及饥饿问题
，先来看看使用顺序加锁的方式解决之前的死锁问题

顺序加锁的解决方案

改变一个哲学家拿筷子的顺序

我们还可以利用死锁避免策略，那就是从逻辑上去避免死锁的发生，比如改变其中一个哲学家拿筷子的顺序。我们可以让 4 个哲学家都先拿左边的筷子再拿右边的筷子，但是有一名哲学家与他们相反，他是先拿右边的再拿左边的，这样一来就不会出现循环等待同一边筷子的情况，也就不会发生死锁了。

解决：

/**
 * @author WGR
 * @create 2021/1/29 -- 14:08
 */
public class TestDeadLock2 {
    public static void main(String[] args) {
        Chopstick2 c1 = new Chopstick2("1");
        Chopstick2 c2 = new Chopstick2("2");
        Chopstick2 c3 = new Chopstick2("3");
        Chopstick2 c4 = new Chopstick2("4");
        Chopstick2 c5 = new Chopstick2("5");
        new Philosopher2("苏格拉底", c1, c2).start();
        new Philosopher2("柏拉图", c2, c3).start();
        new Philosopher2("亚里士多德", c3, c4).start();
        new Philosopher2("赫拉克利特", c4, c5).start();
        new Philosopher2("阿基米德", c5, c1).start();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.Philosopher")
class Philosopher2 extends Thread {
    Chopstick2 left;
    Chopstick2 right;

    public Philosopher2(String name, Chopstick2 left, Chopstick2 right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {

            //　尝试获得左手筷子
            if(left.tryLock()){
                try {
                    //　尝试获得左手筷子
                    if (right.tryLock()) {
                        try {
                            eat();
                        }finally {
                            right.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    left.unlock();
                }

            }

        }
    }

    Random random = new Random();
    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(0.5);
    }
}

class Chopstick2 extends ReentrantLock {
    String name;

    public Chopstick2(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}