在哲學家就餐問題中，假設有五位哲學家圍坐在圓桌前，每位哲學家需要進行思考和進餐兩種活動。他們的思考不需要任何資源，但進餐需要使用兩根筷子（左右兩側各一根）。筷子是共享資源，哲學家們在進行進餐時需要競爭筷子，而且不能出現死鎖情況，即每位哲學家都能在有可能的情況下進餐。

問題示例：

假設有五位哲學家，編號為 0 到 4，圍坐在圓桌周圍，每位哲學家面前有一根筷子。他們的行為可以描述如下：

1. 思考：哲學家在沒有筷子的時候，思考一段時間。

2. 進餐：哲學家只有同時拿到左右兩邊的筷子才能進餐，進餐完成后放下筷子繼續思考。

解決方案概述：

1. 狀態記錄：每位哲學家有三種狀態：思考、饑餓和進餐。
2. 互斥保護：使用互斥鎖保護對狀態的訪問，確保狀態變化的原子性。
3. 信號量：使用信號量控制每根筷子的使用，確保每位哲學家能同時拿到左右兩根筷子。

我們用一個數組 state 來記錄每一位哲學家的三個狀態，分別是在進餐狀態、思考狀態、饑餓狀態（正在試圖拿叉子）。

那么，一個哲學家只有在兩個鄰居都沒有進餐時，才可以進入進餐狀態。

第?i?個哲學家的左鄰右舍，則由宏?LEFT?和?RIGHT?定義：

• LEFT?: ( i + 5 - 1 ) % 5
• RIGHT?: ( i + 1 ) % 5

比如 i 為 2，則?LEFT?為 1，RIGHT?為 3。

解決步驟：

1. 定義全局變量和初始化：

   • 定義哲學家狀態數組 state[]，互斥鎖 pthread_mutex_t mutex 和信號量數組 sem_t chopsticks[]。
   • 初始化互斥鎖和每個筷子的信號量。

2. 哲學家線程函數設計：

   • 哲學家線程循環執行思考和進餐過程。
   • 在饑餓狀態時，試圖獲取兩側筷子，獲取成功則進餐，否則等待。
   • 進餐后釋放筷子，繼續思考。

3. 獲取和釋放筷子的操作：

   • 使用互斥鎖保護對狀態數組的修改，確保線程安全。
   • 利用信號量控制筷子的獲取和釋放，避免死鎖和資源爭奪。

示例代碼：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>#define NUM_PHILOSOPHERS 5
#define THINKING 0
#define HUNGRY 1
#define EATING 2int state[NUM_PHILOSOPHERS];  // 哲學家的狀態數組
pthread_mutex_t mutex;  // 互斥鎖，保護對狀態數組的訪問
sem_t chopsticks[NUM_PHILOSOPHERS];  // 每根筷子的信號量數組void *philosopher(void *arg) {int id = *((int *)arg);while (1) {// 思考printf("哲學家 %d 正在思考。\n", id);sleep(rand() % 3 + 1);  // 模擬思考時間// 進入饑餓狀態printf("哲學家 %d 餓了。\n", id);pthread_mutex_lock(&mutex);state[id] = HUNGRY;printf("哲學家 %d 嘗試拿起筷子。\n", id);test(id);  // 嘗試獲取兩側的筷子pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_wait(&chopsticks[id]);  // 獲取筷子，如果沒有則阻塞// 進餐printf("哲學家 %d 開始進餐。\n", id);sleep(rand() % 3 + 1);  // 模擬進餐時間// 放下筷子sem_post(&chopsticks[id]);  // 放下左側筷子sem_post(&chopsticks[(id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS]);  // 放下右側筷子printf("哲學家 %d 放下筷子，開始思考。\n", id);}pthread_exit(NULL);
}void test(int id) {if (state[id] == HUNGRY && state[(id + NUM_PHILOSOPHERS - 1) % NUM_PHILOSOPHERS] != EATING&& state[(id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS] != EATING) {state[id] = EATING;sem_post(&chopsticks[id]);  // 左側筷子sem_post(&chopsticks[(id + 1) % NUM_PHILOSOPHERS]);  // 右側筷子}
}int main() {pthread_t philosophers[NUM_PHILOSOPHERS];int ids[NUM_PHILOSOPHERS];// 初始化互斥鎖pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 初始化每根筷子的信號量for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);  // 初始值為1，表示筷子可用}// 創建哲學家線程for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {ids[i] = i;pthread_create(&philosophers[i], NULL, philosopher, (void *)&ids[i]);}// 等待線程結束for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {pthread_join(philosophers[i], NULL);}// 清理資源pthread_mutex_destroy(&mutex);for (int i = 0; i < NUM_PHILOSOPHERS; ++i) {sem_destroy(&chopsticks[i]);}return 0;
}

解釋和步驟：

1. 全局變量和初始化

• state[] 數組：每個元素表示一個哲學家的狀態，初始為思考狀態。
• pthread_mutex_t mutex：互斥鎖，保護對 state[] 數組的訪問。
• sem_t chopsticks[NUM_PHILOSOPHERS] 數組：每根筷子對應一個信號量，初始為可用狀態。

2. 哲學家線程函數 philosopher

• 思考階段：每個哲學家在思考一段時間后進入饑餓狀態。
• 饑餓階段：哲學家試圖獲取左右兩根筷子，如果成功則進入進餐狀態，否則等待。
• 進餐階段：成功獲取筷子后進行進餐，一段時間后釋放筷子，回到思考階段。

3. test 函數

• 檢查能否進入進餐狀態：檢查當前哲學家及其左右鄰居的狀態，如果都是饑餓狀態且兩側筷子可用，則將當前哲學家狀態設置為進餐，并釋放左右兩根筷子。

4. 主函數 main

• 初始化：初始化互斥鎖和每根筷子的信號量。
• 創建線程：創建并啟動每個哲學家的線程。
• 等待線程結束：主線程等待所有哲學家線程執行完畢。
• 清理資源：銷毀互斥鎖和每根筷子的信號量。