42Schoolのプロジェクト「Philosophers」の実装です。古典的な同期問題である「哲学者の食事問題」をマルチスレッドとミューテックスを使用して解決しています。
哲学者の食事問題は、計算機科学における有名な同期問題です。複数の哲学者が円形のテーブルに座り、食事と思考を繰り返します。各哲学者の間にはフォークが1本ずつ置かれており、食事をするためには両隣のフォークを2本とも使用する必要があります。
- デッドロック（deadlock）の回避
- データ競合（data race）の防止
- 哲学者が餓死しないことの保証
- 効率的なリソース管理
graph TB
A[main関数] --> B[引数検証]
B --> C[データ初期化]
C --> D{哲学者数 == 1?}
D -->|Yes| E[特別ケース処理]
D -->|No| F[シミュレーション開始]
F --> G[哲学者スレッド生成]
F --> H[モニタースレッド生成]
G --> I[哲学者1]
G --> J[哲学者2]
G --> K[哲学者N]
H --> L[死亡監視モニター]
H --> M[食事回数モニター]
I --> N[食事サイクル]
J --> N
K --> N
N --> O[フォーク取得]
O --> P[食事実行]
P --> Q[フォーク返却]
Q --> R[睡眠]
R --> S[思考]
S --> N
typedef struct s_philo {
atomic_int id; // 哲学者ID (1-N)
atomic_int eat_count; // 食事回数
atomic_bool is_eating; // 食事中フラグ
atomic_ullong limit_time; // 死亡制限時間
pthread_mutex_t mu_this_philo; // 個別ミューテックス
pthread_mutex_t *mu_fork_left; // 左フォーク
pthread_mutex_t *mu_fork_right; // 右フォーク
struct s_data *data; // 共有データ参照
} t_philo;typedef struct s_data {
// 設定パラメータ
atomic_int num_of_philo; // 哲学者数
atomic_int time_to_die; // 死亡時間 (ms)
atomic_int time_to_eat; // 食事時間 (ms)
atomic_int time_to_sleep; // 睡眠時間 (ms)
atomic_int num_of_must_eat; // 必須食事回数
// 実行時データ
uint64_t start_time; // シミュレーション開始時刻
atomic_int finished_count; // 完了した哲学者数
atomic_bool end_flag; // 終了フラグ
atomic_bool dead_flag_for_print; // 死亡時出力制御
// スレッド管理
pthread_t *tid_philo; // 哲学者スレッド
pthread_t tid_eat_monitor; // 食事監視スレッド
pthread_t tid_all_monitor; // 全体監視スレッド
// 同期オブジェクト
pthread_mutex_t *mutex_fork; // フォークミューテックス
pthread_mutex_t mu_printf; // 出力用ミューテックス
pthread_mutex_t mu_data; // データ保護ミューテックス
} t_data;sequenceDiagram
participant M as Main Thread
participant P1 as Philosopher 1
participant P2 as Philosopher 2
participant AM as All Monitor
participant EM as Eat Monitor
M->>M: 引数検証・データ初期化
M->>P1: スレッド生成
M->>P2: スレッド生成
M->>AM: 監視スレッド生成
M->>EM: 食事監視スレッド生成
loop 哲学者のライフサイクル
P1->>P1: フォーク取得（偶数ID: 右→左）
P2->>P2: フォーク取得（奇数ID: 左→右）
P1->>P1: 食事実行
P2->>P2: 食事実行
P1->>P1: フォーク返却
P2->>P2: フォーク返却
P1->>P1: 睡眠
P2->>P2: 睡眠
P1->>P1: 思考
P2->>P2: 思考
end
loop 監視処理
AM->>AM: 死亡チェック
EM->>EM: 食事回数チェック
alt 死亡検出 or 全員完了
AM->>M: 終了信号
EM->>M: 終了信号
end
end
- 偶数IDの哲学者: 右フォーク → 左フォークの順で取得
- 奇数IDの哲学者: 左フォーク → 右フォークの順で取得
- この非対称な取得順序により、全員が同じフォークを待つ状況を回避
uint64_t get_int_time(void) {
struct timeval time;
gettimeofday(&time, NULL);
return ((uint64_t)time.tv_sec * 1000 +
(uint64_t)time.tv_usec / 1000 +
(uint64_t)(time.tv_usec % 1000 >= 500));
}void my_sleep(int limit_time) {
uint64_t time = get_int_time();
while (get_int_time() < time + limit_time)
usleep(limit_time / 10);
}cd philo
make./philo <哲学者数> <死亡時間> <食事時間> <睡眠時間> [必須食事回数]哲学者数: 1以上の整数死亡時間: 最後の食事から死亡までの時間（ミリ秒）食事時間: 食事にかかる時間（ミリ秒）睡眠時間: 食事後の睡眠時間（ミリ秒）必須食事回数: （オプション）各哲学者の最低食事回数
# 基本実行: 5人の哲学者、800ms以内に食事、200ms食事時間、200ms睡眠
./philo 5 800 200 200
# 必須食事回数指定: 各哲学者が7回食事したら終了
./philo 4 410 200 200 7
# 即座死亡テスト: 1人の哲学者、200ms制限
./philo 1 200 100 100./philo 5 800 200 200 # 正常動作
./philo 4 410 200 200 7 # 食事回数制限
./philo 1 200 100 100 # 単独哲学者./philo 0 800 200 200 # 無効な哲学者数
./philo 5 -1 200 200 # 負の時間値
./philo abc 800 200 200 # 非数値引数./philo 200 800 200 200 # 大量哲学者
./philo 4 310 200 200 # タイトな制限時間- 各哲学者の最終食事時刻を監視
time_to_dieを超過した場合、即座に死亡判定is_eatingフラグで食事中の哲学者を保護
- 必須食事回数が指定された場合のみ動作
- 全哲学者が必要回数の食事を完了したら終了
atomic_int,atomic_bool,atomic_ullongを使用- メモリバリアを意識したデータ競合の回避
- 階層化されたミューテックス設計
- 個別哲学者用、フォーク用、出力用、データ保護用の分離
- 動的メモリ割り当ての適切な管理
destory_data関数での確実なリソース解放
usleep(limit_time / 10)による適応的スリープ- 忙しい待機（busy waiting）の最小化
- 死亡メッセージ後の出力抑制
- スレッドセーフな出力管理
このプロジェクトを通じて以下の概念を習得しました：
- 並行プログラミング: マルチスレッド環境での安全なプログラミング
- 同期プリミティブ: ミューテックス、アトミック操作の効果的な使用
- デッドロック回避: 古典的な問題に対する実践的解決法
- リソース管理: メモリとスレッドの適切な管理
- システム設計: 複雑なシステムの設計と実装
kmiyazaw - 42Tokyo Student
このプロジェクトは42Schoolのカリキュラムの一環として作成されました。