Java線程同步問題--哲學(xué)家就餐

更新時間：2022年02月14日 14:27:11 作者：小黑說Java

這篇文章主要介紹了Java線程同步問題,線程的同步是保證多線程安全訪問競爭資源的一種手段。線程的同步是Java多線程編程的難點(diǎn),下面文章舉例的方式講解Java線程同步，具有一定的參考價值,需要的朋友可以參考下

1.場景

有五位沉默的哲學(xué)家圍坐在一張圓桌旁，他們一生都在吃東西和思考。

有五只筷子供他們使用，哲學(xué)家需要雙手拿到一雙筷子之后才能吃飯；吃完后會將筷子放下繼續(xù)思考。

那么現(xiàn)在有一個問題，我們需要想出一種方案，如何保證哲學(xué)家們可以交替吃飯和思考，而不會被餓死。

上面這個問題是由Dijkstra提出的一個經(jīng)典的線程同步問題。

2.解決方案

我們在開始想如何解決問題之前，可以先將這個場景通過代碼還原，在程序中進(jìn)行建模。

每一只筷子可以看做是一個資源數(shù)據(jù)，都可以被它兩邊的哲學(xué)家嘗試去獲取，并且同一時間只能由其中一人持有，這可以通過我們JUC包中的信號量Semaphore來表示。

然后，每個哲學(xué)家可以看做是一個線程，每個線程中的run方法內(nèi)容都是先進(jìn)行思考，然后試圖獲取左右兩邊的筷子吃飯，吃完飯后繼續(xù)思考。

通過上面的分析，我們的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

/**
?* @author 小黑說Java
?* @ClassName DiningPhilosophers
?* @Description 哲學(xué)家就餐問題
?* @date 2022/2/6
?**/
@Slf4j
public class DiningPhilosophers implements Runnable {

? ? private final int id;

? ? public DiningPhilosophers(int id) {
? ? ? ? this.id = id;
? ? }

? ? private static final Random random = new Random(System.currentTimeMillis());

? ? private static final Semaphore[] forks = new Semaphore[5];

? ? // 初始化信號量,每個信號量為1，代表1只筷子
? ? static {
? ? ? ? forks[0] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[1] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[2] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[3] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[4] = new Semaphore(1);
? ? }

? ? @Override
? ? public void run() {
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? while (true) {
? ? ? ? ? ? ? ? think();
? ? ? ? ? ? ? ? eat(id);
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? } catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ? log.error("異常中斷", e);
? ? ? ? }
? ? }

? ? /**
? ? ?* 哲學(xué)家思考隨機(jī)時間
? ? ?*/
? ? private void think() throws InterruptedException {
? ? ? ? TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(100));
? ? }

? ? private void eat(int id) {
? ? ? ? // TODO
? ? }

}

接下來，我們思考一下，如何實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家吃飯的邏輯。

當(dāng)一個哲學(xué)家需要吃飯時，他要拿起左右兩邊的筷子。

所以：

哲學(xué)家 A(0) 需要筷子0 和 4
哲學(xué)家 B(1) 需要筷子 1 和 0
哲學(xué)家 C(2) 需要筷子 2 和 1
哲學(xué)家 D(3) 需要筷子 3 和 2
哲學(xué)家 E(4) 需要筷子 4 和 3

所以每個哲學(xué)家線程都應(yīng)該有個編號，所以我在DiningPhilosophers中定義了屬性id表示哲學(xué)家的編號。

在吃飯方法中，需要根據(jù)id來決定獲取哪只筷子。

左手邊的筷子可以有用fork[id]表示；

右手邊的筷子用fork[(id+4)%5]表示。

那么我們的eat方法的實(shí)現(xiàn)如下：

private void eat(int id) throws InterruptedException {
? ? // 先拿左邊的筷子
? ? forks[id].acquire();

? ? // 然后拿右邊的筷子
? ? forks[(id + 4) % 5].acquire();

? ? // 吃一口飯
? ? log.info("哲學(xué)家{}正在吃飯~", id);

? ? // 依次放下左邊的筷子和右邊的筷子
? ? forks[id].release();
? ? forks[(id + 4) % 5].release();
}

我們接著來測試我們的完整代碼。

/**
?* @author 小黑說Java
?* @ClassName DiningPhilosophers
?* @Description 哲學(xué)家就餐問題
?* @date 2022/2/6
?**/
@Slf4j
public class DiningPhilosophers implements Runnable {

? ? private final int id;

? ? public DiningPhilosophers(int id) {
? ? ? ? this.id = id;
? ? }

? ? private static final Random random = new Random(System.currentTimeMillis());

? ? private static final Semaphore[] forks = new Semaphore[5];

? ? // 初始化信號量,每個信號量為1，代表1只筷子
? ? static {
? ? ? ? forks[0] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[1] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[2] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[3] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[4] = new Semaphore(1);
? ? }

? ? @Override
? ? public void run() {
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? while (true) {
? ? ? ? ? ? ? ? think();
? ? ? ? ? ? ? ? eat(id);
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? } catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ? log.error("異常中斷", e);
? ? ? ? }
? ? }

? ? /**
? ? ?* 哲學(xué)家思考隨機(jī)時間
? ? ?*/
? ? private void think() throws InterruptedException {
? ? ? ? TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(100));
? ? }

? ? private void eat(int id) throws InterruptedException {
? ? ? ? // 先拿左邊的筷子
? ? ? ? forks[id].acquire();

? ? ? ? // 然后拿右邊的筷子
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].acquire();

? ? ? ? // 吃一口飯
? ? ? ? log.info("哲學(xué)家{}正在吃飯~", id);

? ? ? ? // 依次放下左邊的筷子和右邊的筷子
? ? ? ? forks[id].release();
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].release();
? ? }

? ? public static void main(String[] args) {
? ? ? ? for (int i = 0; i < 5; i++) {
? ? ? ? ? ? new Thread(new DiningPhilosophers(i)).start();
? ? ? ? }
? ? }
}

運(yùn)行上面的代碼后，會發(fā)現(xiàn)程序在運(yùn)行一段時間后會進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

這種情況是因?yàn)?，在某一時刻，所有的哲學(xué)家都獲取到了左手邊的筷子，而無法獲取到右手邊的筷子，導(dǎo)致沒有人可以到東西，陷入僵局。

該如何避免出現(xiàn)這種死鎖問題呢？

方法一：限制吃飯的哲學(xué)家人數(shù)

很簡單的一種方法，就是在一個時間點(diǎn)，只能有最多4個哲學(xué)家開始吃飯。4個哲學(xué)家分5只筷子，則永遠(yuǎn)不會發(fā)生死鎖。

要實(shí)現(xiàn)這種方法，我們可以再定義一個許可數(shù)為4的信號量Semaphore，表示剩余可以吃飯的哲學(xué)家名額。

代碼實(shí)現(xiàn)如下：

/**
?* @author 小黑說Java
?* @ClassName DiningPhilosophers
?* @Description 哲學(xué)家就餐問題
?* @date 2022/2/6
?**/
@Slf4j
public class DiningPhilosophers implements Runnable {

? ? private final int id;

? ? public DiningPhilosophers(int id) {
? ? ? ? this.id = id;
? ? }

? ? private static final Random random = new Random(System.currentTimeMillis());

? ? private static final Semaphore[] forks = new Semaphore[5];

? ? private static final Semaphore maxDiners = new Semaphore(4);


? ? // 初始化信號量,每個信號量為1，代表1只筷子
? ? static {
? ? ? ? forks[0] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[1] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[2] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[3] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[4] = new Semaphore(1);
? ? }

? ? @Override
? ? public void run() {
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? while (true) {
? ? ? ? ? ? ? ? think();
? ? ? ? ? ? ? ? eat(id);
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? } catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ? log.error("異常中斷", e);
? ? ? ? }
? ? }

? ? /**
? ? ?* 哲學(xué)家思考隨機(jī)時間
? ? ?*/
? ? private void think() throws InterruptedException {
? ? ? ? TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(100));
? ? }

? ? private void eat(int id) throws InterruptedException {
? ? ? ? // 先獲得吃飯名額
? ? ? ? maxDiners.acquire();

? ? ? ? // 先拿左邊的筷子
? ? ? ? forks[id].acquire();

? ? ? ? // 然后拿右邊的筷子
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].acquire();

? ? ? ? // 吃一口飯
? ? ? ? log.info("哲學(xué)家{}正在吃飯~", id);

? ? ? ? // 依次放下左邊的筷子和右邊的筷子
? ? ? ? forks[id].release();
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].release();

? ? ? ? // 吃完之后歸還吃飯名額
? ? ? ? maxDiners.release();
? ? }

? ? public static void main(String[] args) {
? ? ? ? for (int i = 0; i < 5; i++) {
? ? ? ? ? ? new Thread(new DiningPhilosophers(i)).start();
? ? ? ? }
? ? }
}

方法二：找到一個左撇子哲學(xué)家

這種方法是讓其中一個哲學(xué)家和其他哲學(xué)家拿筷子的順序和其他哲學(xué)家不一樣。

比如其他人都是先拿右手邊再拿左手邊，而這個左撇子哲學(xué)家則先拿左手邊再拿右手邊。

而哪一位哲學(xué)家被選為左撇子并不重要，因?yàn)樽雷邮菆A的，所以我們就選擇0號哲學(xué)家為左撇子。

代碼實(shí)現(xiàn)如下：

/**
?* @ClassName DiningPhilosophers
?* @Description 哲學(xué)家就餐問題
?* @date 2022/2/6
?**/
@Slf4j
public class DiningPhilosophers implements Runnable {

? ? private final int id;

? ? public DiningPhilosophers(int id) {
? ? ? ? this.id = id;
? ? }

? ? private static final Random random = new Random(System.currentTimeMillis());

? ? private static final Semaphore[] forks = new Semaphore[5];


? ? // 初始化信號量,每個信號量為1，代表1只筷子
? ? static {
? ? ? ? forks[0] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[1] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[2] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[3] = new Semaphore(1);
? ? ? ? forks[4] = new Semaphore(1);
? ? }

? ? @Override
? ? public void run() {
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? while (true) {
? ? ? ? ? ? ? ? think();
? ? ? ? ? ? ? ? eat(id);
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? } catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ? log.error("異常中斷", e);
? ? ? ? }
? ? }

? ? /**
? ? ?* 哲學(xué)家思考隨機(jī)時間
? ? ?*/
? ? private void think() throws InterruptedException {
? ? ? ? TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(100));
? ? }

? ? private void eat(int id) throws InterruptedException {
? ? ? ? if (id == 0) {
? ? ? ? ? ? hanleLeftFirst(id);
? ? ? ? } else {
? ? ? ? ? ? hanldRightFirst(id);
? ? ? ? }
? ? ? ? // 吃一口飯
? ? ? ? log.info("哲學(xué)家{}正在吃飯~", id);
? ? ? ? forks[id].release();
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].release();
? ? }

? ? private void hanleLeftFirst(int id) throws InterruptedException {
? ? ? ? forks[id].acquire();
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].acquire();
? ? }

? ? private void hanldRightFirst(int id) throws InterruptedException {
? ? ? ? forks[(id + 4) % 5].acquire();
? ? ? ? forks[id].acquire();
? ? }

? ? public static void main(String[] args) {
? ? ? ? for (int i = 0; i < 5; i++) {
? ? ? ? ? ? new Thread(new DiningPhilosophers(i)).start();
? ? ? ? }
? ? }
}

到此這篇關(guān)于Java線程同步問題的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java線程同步內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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