用记录型信号量机制实现哲学家进餐问题避免死锁

哲学家进餐问题是一个典型的并发编程问题，有多种解决方案，其中一种比较常见的方式就是使用信号量。

可以使用记录型信号量机制来解决哲学家进餐问题，避免死锁的情况。具体思路如下：

1. 定义5个记录型信号量 chopstick[5]，表示5个筷子。

2. 每个哲学家进程有两个状态：thinking 和 hungry。

3. 当一个哲学家想要进餐时，将其状态设置为 hungry。

4. 当一个哲学家进入 hungry 状态时，首先尝试获取左边的筷子，如果左边的筷子被占用，则等待；如果左边的筷子空闲，则尝试获取右边的筷子，如果右边的筷子被占用，则释放左边的筷子，等待；如果右边的筷子也空闲，则将两个筷子标记为占用，将哲学家状态设置为 eating。

5. 当一个哲学家进餐结束后，将占用的两个筷子释放，将哲学家状态设置为 thinking。

6. 重复执行步骤3到5，直到所有哲学家都进餐完毕。

下面是使用记录型信号量机制实现哲学家进餐问题的示例代码：

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

#define N 5 // 哲学家的数量
#define LEFT (i + N - 1) % N // i 的左邻居
#define RIGHT (i + 1) % N // i 的右邻居

sem_t chopstick[N]; // 筷子信号量

void *philosopher(void *arg) {
  int i = *((int *) arg);
  while (1) {
    printf("Philosopher %d is thinking.\n", i);
    sleep(rand() % 5); // 随机思考时间
    printf("Philosopher %d is hungry.\n", i);
    sem_wait(&chopstick[LEFT]); // 尝试获取左边的筷子
    sem_wait(&chopstick[RIGHT]); // 尝试获取右边的筷子
    printf("Philosopher %d is eating.\n", i);
    sleep(rand() % 5); // 随机进餐时间
    sem_post(&chopstick[LEFT]); // 释放左边的筷子
    sem_post(&chopstick[RIGHT]); // 释放右边的筷子
  }
}

int main() {
  pthread_t tid[N];
  int i, ret;
  for (i = 0; i < N; i++) {
    ret = sem_init(&chopstick[i], 0, 1); // 初始化所有筷子的信号量
    if (ret != 0) {
      printf("Semaphore initialization failed.\n");
      exit(1);
    }
  }
  for (i = 0; i < N; i++) {
    ret = pthread_create(&tid[i], NULL, philosopher, &i); // 创建哲学家进程
    if (ret != 0) {
      printf("Thread creation failed.\n");
      exit(1);
    }
  }
  for (i = 0; i < N; i++) {
    pthread_join(tid[i], NULL); // 等待所有哲学家进程结束
  }
  return 0;
}

在上述代码中，使用了 sem_init 函数初始化所有筷子的信号量，使用 sem_wait 和 sem_post 函数分别尝试获取和释放筷子。在每个哲学家进程中，通过随机思考和进餐时间模拟哲学家的行为。需要注意的是，随机时间的使用可以避免所有哲学家同时进餐的情况，从而避免死锁的发生。