Java并发编程78讲--71 第71讲：讲一讲经典的哲学家就餐问题

本课时我们介绍经典的哲学家就餐问题。

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

我们来看一下这个流程的伪代码，如下所示：

while(true) { // 思考人生、宇宙、万物...think();// 思考后感到饿了，需要拿筷子开始吃饭pick_up_left_chopstick();pick_up_right_chopstick();eat();put_down_right_chopstick();put_down_left_chopstick();// 吃完饭后，继续思考人生、宇宙、万物...
}

while(true) 代表整个是一个无限循环。在每个循环中，哲学家首先会开始思考，思考一段时间之后（这个时间长度可以是随机的），他感到饿了，就准备开始吃饭。在吃饭之前必须 先拿到左手的筷子，再拿到右手的筷子，然后才开始吃饭；吃完之后，先放回右手的筷子，再放回左手的筷子；由于这是个 while 循环，所以他就会继续思考人生，开启下一个循环。这就是整个过程。

有死锁和资源耗尽的风险

这里存在什么风险呢？就是发生死锁的风险。如下面的动画所示：

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：

public class DiningPhilosophers {public static class Philosopher implements Runnable {private Object leftChopstick;private Object rightChopstick;public Philosopher(Object leftChopstick, Object rightChopstick) {this.leftChopstick = leftChopstick;this.rightChopstick = rightChopstick;}@Overridepublic void run() {try {while (true) {doAction("思考人生、宇宙、万物、灵魂...");synchronized (leftChopstick) {doAction("拿起左边的筷子");synchronized (rightChopstick) {doAction("拿起右边的筷子");doAction("吃饭");doAction("放下右边的筷子");}doAction("放下左边的筷子");}}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}private void doAction(String action) throws InterruptedException {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + action);Thread.sleep((long) (Math.random() * 10));}}public static void main(String[] args) {Philosopher[] philosophers = new Philosopher[5];Object[] chopsticks = new Object[philosophers.length];for (int i = 0; i < chopsticks.length; i++) {chopsticks[i] = new Object();}for (int i = 0; i < philosophers.length; i++) {Object leftChopstick = chopsticks[i];Object rightChopstick = chopsticks[(i + 1) % chopsticks.length];philosophers[i] = new Philosopher(rightChopstick, leftChopstick);new Thread(philosophers[i], "哲学家" + (i + 1) + "号").start();}}
}

在这个代码中，有一个内部类叫作 Philosophers，是哲学家的意思。在创建这个哲学家实例，也就是调用构造方法的时候，需要传入两个参数，分别是左手的筷子和右手的筷子。Philosophers 类实现了 Runnable 接口，在它的 run 方法中是无限循环，每个循环中，会多次调用 doAction 方法。在这里的 doAction 方法的定义在下方，这个方法实际上就是把当前输入的字符串给打印出来，并且去进行一段随机时间的休眠。

这里的随机休眠是为了模拟真实的场景，因为每个哲学家的思考、吃饭和拿筷子的时间会各不相同。同样，在线上的实际场景中，这个时间也肯定是不相同的，所以我们用随机数来模拟。

我们继续看 while 中的代码，哲学家会首先思考人生，然后获取左边筷子这把锁，并打印出“拿起左边的筷子”；接着他去获取右边筷子这把锁，并会打印出“拿起右边的筷子”、“吃饭”，并且“放下右边的筷子”，接下来，他会退出右边筷子的这个同步代码块，释放锁；最后打印出“放下左边的筷子”，随即退出左边筷子的这个同步代码块，释放锁。这样就完成了这个过程，当然他会继续进行 while 循环。

最后我们来看一下 main 方法，main 方法中新建了 5 个哲学家，并按照哲学家的数量去新建对应数量的筷子，并且把它们都初始化出来。筷子只用于充当锁对象，所以就把它定义为一个普通的 Object 类型。

接下来，我们需要初始化哲学家。初始化哲学家需要两个入参，分别是左手筷子和右手筷子，在这里会选取之前定义好的 chopsticks 数组中的对象来给 leftChopstick 和 rightChopstick 进行合理的赋值。当然有一种特殊情况，那就是考虑到最后一个哲学家右手的筷子，由于它已经转完了桌子的一圈，所以他实际上拿的还是第一根筷子，在这里会进行一个取余操作。

创建完哲学家之后，就会把它作为 Runnable 对象，传入 Thread，创建一个线程并启动。在 for 循环执行完毕之后，5 个哲学家都启动了起来，于是他们就开始思考并且吃饭。其中一种可能的执行结果如下所示：

哲学家1号 思考人生、宇宙、万物...
哲学家3号 思考人生、宇宙、万物...
哲学家2号 思考人生、宇宙、万物...
哲学家4号 思考人生、宇宙、万物...
哲学家5号 思考人生、宇宙、万物...
哲学家4号 拿起左边的筷子
哲学家5号 拿起左边的筷子
哲学家1号 拿起左边的筷子
哲学家3号 拿起左边的筷子
哲学家2号 拿起左边的筷子

哲学家 1、3、2、4、5 几乎同时开始思考，然后，假设他们思考的时间比较相近，于是他们都 在几乎同一时刻想开始吃饭，都纷纷拿起左手的筷子，这时就陷入了死锁状态，没有人可以拿到右手的筷子，也就没有人可以吃饭，于是陷入了无穷等待，这就是经典的哲学家就餐问题。

多种解决方案

对于这个问题我们该如何解决呢？有多种解决方案，这里我们讲讲其中的几种。前面我们讲过，要想解决死锁问题，只要破坏死锁四个必要条件的任何一个都可以。

1. 服务员检查

第一个解决方案就是引入服务员检查机制。比如我们引入一个服务员，当每次哲学家要吃饭时，他需要先询问服务员：我现在能否去拿筷子吃饭？此时，服务员先判断他拿筷子有没有发生死锁的可能，假如有的话，服务员会说：现在不允许你吃饭。这是一种解决方案。

2. 领导调节

我们根据上一讲的死锁 检测和恢复策略，可以引入一个领导，这个领导进行定期巡视。如果他发现已经发生死锁了，就会剥夺某一个哲学家的筷子，让他放下。这样一来，由于这个人的牺牲，其他的哲学家就都可以吃饭了。这也是一种解决方案。

3. 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。

死锁解决

我们把“改变一个哲学家拿筷子的顺序”这件事情用代码来写一下，修改后的 main 方法如下：

public static void main(String[] args) {Philosopher[] philosophers = new Philosopher[5];Object[] chopsticks = new Object[philosophers.length];for (int i = 0; i < chopsticks.length; i++) {chopsticks[i] = new Object();}for (int i = 0; i < philosophers.length; i++) {Object leftChopstick = chopsticks[i];Object rightChopstick = chopsticks[(i + 1) % chopsticks.length];if (i == philosophers.length - 1) {philosophers[i] = new Philosopher(rightChopstick, leftChopstick);} else {philosophers[i] = new Philosopher(leftChopstick, rightChopstick);}new Thread(philosophers[i], "哲学家" + (i + 1) + "号").start();}
}

在这里最主要的变化是，我们实例化哲学家对象的时候，传入的参数原本都是先传入左边的筷子再传入右边的，但是当我们发现他是最后一个哲学家的时候，也就是 if (i == philosophers.length - 1) ，在这种情况下，我们给它传入的筷子顺序恰好相反，这样一来，他拿筷子的顺序也就相反了， 他会先拿起右边的筷子，再拿起左边的筷子。那么这个程序运行的结果，是所有哲学家都可以正常地去进行思考和就餐了，并且不会发生死锁。

总结

下面我们进行总结。在本课时，我们介绍了什么是哲学家就餐问题，并且发现了这其中蕴含着死锁的风险，同时用代码去演示了发生死锁的情况；之后给出了几种解决方案，比如死锁的检测与恢复、死锁避免，同时我们对于死锁避免的这种情况给出了代码示例。