通过经典的哲学家就餐实验，了解如何利用信号量来对共享资源进行互斥访问

经典的哲学家就餐问题是一个经典的并发编程问题，它描述了五个哲学家围坐在一张圆桌前，每个哲学家面前有一碗饭和一只筷子，五只筷子放在圆桌上。哲学家只有在拿到两只筷子时才能吃饭，每个哲学家都会先拿起自己左侧的筷子，再去尝试拿右侧的筷子，如果右侧的筷子被其他哲学家使用了，那么这个哲学家就需要等待，直到右侧的筷子空闲为止。

这个问题中的哲学家可以看做是线程，筷子可以看做是共享资源。由于每个哲学家都需要同时拿到两只筷子才能吃饭，因此需要使用信号量来协调线程之间的互斥访问。

具体实现可以使用五个信号量来表示五只筷子，当一个哲学家想要使用筷子时，需要先获取其左右两只筷子的信号量，如果都获取成功了，那么就可以开始进餐，吃完饭之后需要释放两只筷子的信号量，让其他哲学家可以使用。

这样就能够保证每个哲学家只有在拿到两只筷子时才能进餐，避免了死锁和饥饿等问题。

相关问题

（2）什么是哲学家就餐问题？利用信号量写出解决哲学家就餐问题的同步程序。

哲学家就餐问题是一个经典的并发问题，描述了五个哲学家围坐在桌子前，每人面前有一碗饭和一只筷子，五只筷子放在桌子中央。他们只能拿起自己左右两边的筷子来进餐，而每人吃饭时间较长，需要两只筷子。

这个问题的关键在于如何避免死锁，即每个哲学家都拿起自己左边的筷子，导致无法再拿到右边的筷子。

以下是一个使用信号量解决哲学家就餐问题的同步程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>

#define N 5 // 哲学家数量
#define LEFT (i+N-1)%N // 左邻居
#define RIGHT (i+1)%N // 右邻居
#define THINKING 0 // 思考
#define HUNGRY 1 // 饥饿
#define EATING 2 // 就餐

int state[N]; // 哲学家状态
pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁
sem_t sem[N]; // 信号量

void *philosopher(void *arg) {
    int i = *(int *)arg;
    while (1) {
        printf("Philosopher %d is thinking...\n", i);
        sleep(rand() % 5);

        printf("Philosopher %d is hungry...\n", i);
        state[i] = HUNGRY;
        test(i); // 尝试取得两只筷子
        sem_wait(&sem[i]); // 等待信号量
        printf("Philosopher %d is eating...\n", i);
        sleep(rand() % 5);

        printf("Philosopher %d has finished eating...\n", i);
        sem_post(&sem[LEFT]); // 放回左侧筷子
        sem_post(&sem[RIGHT]); // 放回右侧筷子
    }
}

void test(int i) {
    if (state[i] == HUNGRY && state[LEFT] != EATING && state[RIGHT] != EATING) {
        state[i] = EATING;
        sem_post(&sem[i]); // 释放信号量
    }
}

int main() {
    pthread_t tid[N];
    int i, id[N];
    for (i = 0; i < N; i++) {
        state[i] = THINKING;
        sem_init(&sem[i], 0, 0);
        id[i] = i;
    }
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    for (i = 0; i < N; i++) {
        pthread_create(&tid[i], NULL, philosopher, &id[i]);
    }
    for (i = 0; i < N; i++) {
        pthread_join(tid[i], NULL);
    }
    return 0;
}

在这个程序中，每个哲学家（线程）都有一个状态，包括 THINKING（思考）、HUNGRY（饥饿）和 EATING（就餐）。每个筷子（信号量）初始值为 0，表示不可用。当一个哲学家饥饿时，它会试图取得左右两只筷子，如果两只筷子都可用，那么它就开始就餐；否则，它会等待信号量，直到两只筷子都可用。就餐结束后，哲学家会放回两只筷子，这样其他哲学家就可以使用它们了。

信号量解决哲学家问题代码C语言

哲学家问题可以使用信号量来解决。下面是一个使用 C 语言编写的哲学家问题的解决方案：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define N 5  // 哲学家的数量
#define LEFT (i + N - 1) % N  // 左边的哲学家编号
#define RIGHT (i + 1) % N     // 右边的哲学家编号

sem_t chopsticks[N];  // 信号量数组，表示筷子的状态
sem_t mutex;          // 互斥信号量，保证哲学家就餐的互斥

void *philosopher(void *arg) {
    int i = *(int *)arg;
    int left = LEFT;
    int right = RIGHT;

    while (1) {
        // 哲学家思考
        printf("Philosopher %d is thinking.\n", i);

        // 等待左边的筷子
        sem_wait(&chopsticks[left]);

        // 等待右边的筷子
        sem_wait(&chopsticks[right]);

        // 获取互斥锁
        sem_wait(&mutex);

        // 哲学家就餐
        printf("Philosopher %d is eating.\n", i);

        // 释放互斥锁
        sem_post(&mutex);

        // 放下左边的筷子
        sem_post(&chopsticks[left]);

        // 放下右边的筷子
        sem_post(&chopsticks[right]);
    }
}

int main() {
    pthread_t tid[N];
    int index[N];

    // 初始化互斥信号量
    sem_init(&mutex, 0, 1);

    // 初始化筷子信号量
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);
    }

    // 创建哲学家线程
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        index[i] = i;
        pthread_create(&tid[i], NULL, philosopher, &index[i]);
    }

    // 等待哲学家线程结束
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        pthread_join(tid[i], NULL);
    }

    // 销毁信号量
    sem_destroy(&mutex);
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        sem_destroy(&chopsticks[i]);
    }

    return 0;
}

在这个代码中，我们使用了一个互斥信号量 `mutex` 来保证哲学家之间的就餐互斥。每个哲学家都需要先获取左边的筷子，再获取右边的筷子，然后才能进餐。如果一个筷子被其他哲学家占用，则当前哲学家会等待，直到可以获取到筷子。就餐完成后，哲学家会先放下左边的筷子，再放下右边的筷子，然后继续思考。