Problém obedujúcich filozofov

Problém obedujúcich filozofov (dining philosophers problem) je myšlienkový experiment, ktorý sa používa na overenie správnej činnosti správy procesov. Formuloval ho Edsger Dijkstra v roku 1965. Každý operačný systém má správu procesov, čo je vlastne algoritmus, ktorý riadi vznik, zánik a plánovanie procesov (bežiacich programov) v operačnom systéme.

Opis problému 

Predstavme si okrúhly stôl, na ktorom je po obvode položených 5 tanierov. Medzi každými dvoma taniermi je jedna čínska palička, spolu je ich teda 5. Ďalej si predstavme, že za týmto stolom sedí 5 filozofov, každý za svojím tanierom. Filozof predstavuje nejaký proces. Filozof môže vykonávať dve činnosti - buď obeduje alebo filozofuje. Aby mohol obedovať, musí si zobrať dve čínske paličky. Ak chce filozofovať, nedrží ani jednu paličku.

Keď filozofi (procesy) spolu nekomunikujú alebo komunikujú nesprávne, každý sa môže rozhodnúť, že vezme napríklad ľavú paličku. Teraz chce každý z nich zobrať pravú paličku, no tá je obsadená, takže filozof nemôže ani obedovať, ani filozofovať. Takýto stav sa nazýva uviaznutie (deadlock). Musí buď počkať, kým sa palička uvoľní, alebo paličku položiť a skúsiť to neskôr znova.

Iným kritickým stavom je vyhladovanie (starvation), ktoré nastáva, keď sa filozof nedostane po určitom čase k jedeniu (resp. proces k zdrojom). Nastáva napríklad pri veľmi rýchlych intervaloch jedenia a filozofovania.

Vyhladovanie by mohlo tiež nastať nezávisle od deadlock-u, ak je filozof neschopný získať obidve vidličky počas istého časového úseku. Napríklad môžeme uvažovať pravidlo, že filozof pustí jednu držanú vidličku z ruky za 5 minút od jej odchytenia a čaká ďalších 5 minút na to, aby urobil ďalší pokus najesť sa. Táto schéma eliminuje možnosť deadlock-u (systém sa vždy môže dostať do iného stavu), ale stále trpí problémom livelock-u. Keď totiž všetci filozofi položia naraz vidličky a potom si ich za 5 minút opäť vezmú, situácia sa opakuje, znovu majú po jednej vidličke všetci filozofi.

Nedostatok voľných vidličiek je analógia ku zamykaniu zdieľaných prostriedkov v reálnom počítačovom programovaní, situácia známa, ako súbežnosť. Zamykanie prostriedku je bežná technika, ako zaistiť konzistenciu konkrétneho zdroja v čase. Keď zdroj, s ktorým program pracuje, už je zamknutý iným programom, program čaká dovtedy, pokým nie je odomknutý. Ak niektoré programy vyžadujú zamykanie zdrojov, môže nastať deadlock, závisiac na okolnostiach. Napríklad, jeden program potrebuje dva súbory na spracovanie. Keď dva také programy uzamknú každý jeden z týchto súborov, obidva budú čakať na to, aby ten druhý uvoľnil zdroj, ktorý má k dispozícii, čo sa nikdy nestane.

Vo všeobecnosti je problém obedujúcich filozofov bežný abstraktným problémom používaným na vysvetlenie rozdielnych otázok, ktoré sa objavia v záležitosti vzájomnej výlučnosti, ako hlavnej myšlienky daného problému. Napríklad, ako je vysvetlené aj v prípade deadlock/livelock.

Riešenia

Riešenie s čašníkom 
Jednoduché riešenie sa dá dosiahnuť zavedením čašníka pri stole. Čašník určí, kto si paličky zoberie, čo v podstate vyrieši problém rozhodovania. Pretože si uvedomuje, ktoré paličky sú použité, je schopný rozhodnúť a zabrániť tak deadlock-u. Nakoľko na stole zostala v prípade 5 filozofov ešte jedna palička, je zrejmé, že nasledovať v jedení bude ten filozof, ktorý sa stal jej dočasným majiteľom. Tomu potom čašník prisúdi paličku, ktorú akurát obsluhuje vedľa sediaci filozof.

Predstavme si, že to funguje nasledovne: Označme si filozofov podľa hodinových ručičiek od A po E. Ak A a C jedia, tak sú použité 4 vidličky. B nemá k dispozícii žiadnu paličku, pokiaľ D a E majú medzi sebou jednu nevyužitú paličku. Povedzme, že D chce jesť. Ak by si filozof túto paličku zobral, môže nastať deadlock. V našom prípade však o tom rozhoduje čašník, ktorý vie, že treba počkať na uvoľnenie ďalšej paličky, aby sa neskôr mohol aspoň jeden filozof naobedovať.

Riešenie s hierarchiou zdrojov 
Ďalšie jednoduché riešenie dostaneme vyhradením čiastočného poradia, alebo hierarchie pre zdroje (v tomto prípade paličky), a zriadením konvencie, že všetky zdroje budú dosahované v určitom poradí a v opačnom poradí uvoľnené. V našom prípade budú zdroje (paličky) číslované od 1 po 5 v nejakom poradí a každý filozof si vždy zoberie najskôr paličku s menším číslom a až potom paličku s väčším číslom. Potom vždy položí najskôr paličku s vyšším číslom, nasledovanú paličkou s menším číslom. Ak teda 5 filozofov simultánne zdvihnú paličku s menším číslom, tak zostane na stole palička s najväčším číslom, takže 5. filozof bude bez paličky. Navyše iba jeden z filozofov bude mať prístup k obom paličkám. Keď doje, položí obe paličky, pričom tú paličku s nižším číslom položí skôr, čo umožní, aby sa najedol filozof sediaci vedľa neho.

Toto riešenie i napriek vyhýbaniu sa deadlock-om nie je veľmi praktické, špeciálne v prípade, ak nepoznáme vopred používanú množinu zdrojov. Napríklad, ak program drží zdroje 3, 5 a potrebuje ešte zdroj 2, musí vypustiť zdroj 5, potom 3, aby mohol požiadať o 2 a opäť požiadať o zdroje 3 a 5 v tomto poradí. Práve preto je tento spôsob veľmi neefektívny.

Chandyho - Misrovo Riešenie 
V roku 1984, K. Mani Chandy a J. Misra navrhli iné riešenie problému obedujúcich filozofov, aby povolili ľubovoľnému počtu programov (očíslovaných P1, ..., Pn) bojovať o ľubovoľný počet zdrojov (očíslovaných R1, ..., Rm). Na rozdiel od Dijkstrovho riešenia, môžu byť tieto označenia ľubovoľné. Teda nejde o naozajstný problém obedujúcich filozofov, pretože vyžaduje ich vzájomné komunikovanie.

 Pre každý pár filozofov bojujúcich o zdroj vytvor vidličku a daj ju filozofovi s nižším ID. Každá vidlička môže byť buď špinavá, alebo čistá. Na začiatku je každá vidlička špinavá.
 V prípade, že chce filozof použiť množinu zdrojov, musí dostať vidličky od svojich súperiacich susedov. Pre všetky také vidličky pošle žiadanku.
 Filozof, ktorý dostane takúto požiadavku si vidličku nechá, ak je čistá a v opačnom prípade ju prenechá žiadajúcemu filozofovi. Predtým, ako túto vidličku pošle filozofovi, ju najskôr očistí.
 Potom, ako filozof doje, všetky jeho vidličky sú špinavé. Ak nejaký filozof predtým požiadal o vidličku, filozof, ktorý ju momentálne vlastní, ju očistí a pošle.

Toto riešenie povoľuje veľké množstvo súbežných programov a vyrieši ľubovoľne veľký problém domnievajúc sa, že každé vlákno potrebuje práve jeden zdroj v čase.

Pozri aj 
 Edsger Wybe Dijkstra

Externé odkazy 
 Problém obedujúcich filozofov - interaktívny Java applet    

Informatika
Myšlienkové experimenty