手撕面试题:多个线程顺序执行问题

贾不假

大家在换工作面试中,除了一些常规算法题,还会遇到各种需要手写的题目,所以打算总结出来,给大家个参考。

第一篇打算总结下阿里最喜欢问的多个线程顺序打印问题,我遇到的是机试,直接写出运行。同类型的题目有很多,比如

  1. 三个线程分别打印 A,B,C,要求这三个线程一起运行,打印 n 次,输出形如“ABCABCABC....”的字符串
  2. 两个线程交替打印 0~100 的奇偶数
  3. 通过 N 个线程顺序循环打印从 0 至 100
  4. 多线程按顺序调用,A->B->C,AA 打印 5 次,BB 打印10 次,CC 打印 15 次,重复 10 次
  5. 用两个线程,一个输出字母,一个输出数字,交替输出 1A2B3C4D...26Z

其实这类题目考察的都是线程间的通信问题,基于这类题目,做一个整理,方便日后手撕面试官,文明的打工人,手撕面试题。

使用 Lock

我们以第一题为例:三个线程分别打印 A,B,C,要求这三个线程一起运行,打印 n 次,输出形如“ABCABCABC....”的字符串。

思路:使用一个取模的判断逻辑 C%M ==N,题为 3 个线程,所以可以按取模结果编号:0、1、2,他们与 3 取模结果仍为本身,则执行打印逻辑。

public class PrintABCUsingLock {

    private int times; // 控制打印次数
    private int state;   // 当前状态值:保证三个线程之间交替打印
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public PrintABCUsingLock(int times) {
        this.times = times;
    }

    private void printLetter(String name, int targetNum) {
        for (int i = 0; i < times; ) {
            lock.lock();
            if (state % 3 == targetNum) {
                state++;
                i++;
                System.out.print(name);
            }
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrintABCUsingLock loopThread = new PrintABCUsingLock(1);

        new Thread(() -> {
            loopThread.printLetter("B", 1);
        }, "B").start();
        
        new Thread(() -> {
            loopThread.printLetter("A", 0);
        }, "A").start();
        
        new Thread(() -> {
            loopThread.printLetter("C", 2);
        }, "C").start();
    }
}

main 方法启动后,3 个线程会抢锁,但是 state 的初始值为 0,所以第一次执行 if 语句的内容只能是 线程 A,然后还在 for 循环之内,此时 state = 1,只有 线程 B 才满足 1% 3 == 1,所以第二个执行的是 B,同理只有 线程 C 才满足 2% 3 == 2,所以第三个执行的是 C,执行完 ABC 之后,才去执行第二次 for 循环,所以要把 i++ 写在 for 循环里边,不能写成 for (int i = 0; i < times;i++) 这样。

使用 wait/notify

其实遇到这类型题目,好多同学可能会先想到的就是 join(),或者 wati/notify 这样的思路。算是比较传统且万能的解决方案。也有些面试官会要求不能使用这种方式。

思路:还是以第一题为例,我们用对象监视器来实现,通过 waitnotify() 方法来实现等待、通知的逻辑,A 执行后,唤醒 B,B 执行后唤醒 C,C 执行后再唤醒 A,这样循环的等待、唤醒来达到目的。

public class PrintABCUsingWaitNotify {

    private int state;
    private int times;
    private static final Object LOCK = new Object();

    public PrintABCUsingWaitNotify(int times) {
        this.times = times;
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrintABCUsingWaitNotify printABC = new PrintABCUsingWaitNotify(10);
        new Thread(() -> {
            printABC.printLetter("A", 0);
        }, "A").start();
        new Thread(() -> {
            printABC.printLetter("B", 1);
        }, "B").start();
        new Thread(() -> {
            printABC.printLetter("C", 2);
        }, "C").start();
    }

    private void printLetter(String name, int targetState) {
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            synchronized (LOCK) {
                while (state % 3 != targetState) {
                    try {
                        LOCK.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                state++;
                System.out.print(name);
                LOCK.notifyAll();
            }
        }
    }
}

同样的思路,来解决下第 2 题:两个线程交替打印奇数和偶数

使用对象监视器实现,两个线程 A、B 竞争同一把锁,只要其中一个线程获取锁成功,就打印 ++i,并通知另一线程从等待集合中释放,然后自身线程加入等待集合并释放锁即可。

图:throwable-blog

public class OddEvenPrinter {

    private Object monitor = new Object();
    private final int limit;
    private volatile int count;

    OddEvenPrinter(int initCount, int times) {
        this.count = initCount;
        this.limit = times;
    }

    public static void main(String[] args) {

        OddEvenPrinter printer = new OddEvenPrinter(0, 10);
        new Thread(printer::print, "odd").start();
        new Thread(printer::print, "even").start();
    }

    private void print() {
        synchronized (monitor) {
            while (count < limit) {
                try {
                    System.out.println(String.format("线程[%s]打印数字:%d", Thread.currentThread().getName(), ++count));
                    monitor.notifyAll();
                    monitor.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            //防止有子线程被阻塞未被唤醒,导致主线程不退出
            monitor.notifyAll();
        }
    }
}

同样的思路,来解决下第 5 题:用两个线程,一个输出字母,一个输出数字,交替输出 1A2B3C4D...26Z

public class NumAndLetterPrinter {
    private static char c = 'A';
    private static int i = 0;
    static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> printer(), "numThread").start();
        new Thread(() -> printer(), "letterThread").start();
    }

    private static void printer() {
        synchronized (lock) {
            for (int i = 0; i < 26; i++) {
                if (Thread.currentThread().getName() == "numThread") {
                    //打印数字1-26
                    System.out.print((i + 1));
                    // 唤醒其他在等待的线程
                    lock.notifyAll();
                    try {
                        // 让当前线程释放锁资源,进入wait状态
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                } else if (Thread.currentThread().getName() == "letterThread") {
                    // 打印字母A-Z
                    System.out.print((char) ('A' + i));
                    // 唤醒其他在等待的线程
                    lock.notifyAll();
                    try {
                        // 让当前线程释放锁资源,进入wait状态
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

使用 Lock/Condition

还是以第一题为例,使用 Condition 来实现,其实和 wait/notify 的思路一样。

Condition 中的 await() 方法相当于 Object 的 wait() 方法,Condition 中的 signal() 方法相当于Object 的 notify() 方法,Condition 中的 signalAll() 相当于 Object 的 notifyAll() 方法。

不同的是,Object 中的 wait(),notify(),notifyAll()方法是和"同步锁"(synchronized关键字)捆绑使用的;而 Condition 是需要与"互斥锁"/"共享锁"捆绑使用的。

public class PrintABCUsingLockCondition {

    private int times;
    private int state;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition c1 = lock.newCondition();
    private static Condition c2 = lock.newCondition();
    private static Condition c3 = lock.newCondition();

    public PrintABCUsingLockCondition(int times) {
        this.times = times;
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrintABCUsingLockCondition print = new PrintABCUsingLockCondition(10);
        new Thread(() -> {
            print.printLetter("A", 0, c1, c2);
        }, "A").start();
        new Thread(() -> {
            print.printLetter("B", 1, c2, c3);
        }, "B").start();
        new Thread(() -> {
            print.printLetter("C", 2, c3, c1);
        }, "C").start();
    }

    private void printLetter(String name, int targetState, Condition current, Condition next) {
        for (int i = 0; i < times; ) {
            lock.lock();
            try {
                while (state % 3 != targetState) {
                    current.await();
                }
                state++;
                i++;
                System.out.print(name);
                next.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

使用 Lock 锁的多个 Condition 可以实现精准唤醒,所以碰到那种多个线程交替打印不同次数的题就比较容易想到,比如解决第四题:多线程按顺序调用,A->B->C,AA 打印 5 次,BB 打印10 次,CC 打印 15 次,重复 10 次

代码就不贴了,思路相同。

以上几种方式,其实都会存在一个锁的抢夺过程,如果抢锁的的线程数量足够大,就会出现很多线程抢到了锁但不该自己执行,然后就又解锁或 wait() 这种操作,这样其实是有些浪费资源的。

使用 Semaphore

在信号量上我们定义两种操作: 信号量主要用于两个目的,一个是用于多个共享资源的互斥使用,另一个用于并发线程数的控制。

  1. acquire(获取) 当一个线程调用 acquire 操作时,它要么通过成功获取信号量(信号量减1),要么一直等下去,直到有线程释放信号量,或超时。
  2. release(释放)实际上会将信号量的值加1,然后唤醒等待的线程。

先看下如何解决第一题:三个线程循环打印 A,B,C

public class PrintABCUsingSemaphore {
    private int times;
    private static Semaphore semaphoreA = new Semaphore(1); // 只有A 初始信号量为1,第一次获取到的只能是A
    private static Semaphore semaphoreB = new Semaphore(0);
    private static Semaphore semaphoreC = new Semaphore(0);

    public PrintABCUsingSemaphore(int times) {
        this.times = times;
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrintABCUsingSemaphore printer = new PrintABCUsingSemaphore(1);
        new Thread(() -> {
            printer.print("A", semaphoreA, semaphoreB);
        }, "A").start();

        new Thread(() -> {
            printer.print("B", semaphoreB, semaphoreC);
        }, "B").start();

        new Thread(() -> {
            printer.print("C", semaphoreC, semaphoreA);
        }, "C").start();
    }

    private void print(String name, Semaphore current, Semaphore next) {
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            try {
                System.out.println("111" + Thread.currentThread().getName());
                current.acquire();  // A获取信号执行,A信号量减1,当A为0时将无法继续获得该信号量
                System.out.print(name);
                next.release();    // B释放信号,B信号量加1(初始为0),此时可以获取B信号量
                System.out.println("222" + Thread.currentThread().getName());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

如果题目中是多个线程循环打印的话,一般使用信号量解决是效率较高的方案,上一个线程持有下一个线程的信号量,通过一个信号量数组将全部关联起来,这种方式不会存在浪费资源的情况。

接着用信号量的方式解决下第三题:通过 N 个线程顺序循环打印从 0 至 100

public class LoopPrinter {

    private final static int THREAD_COUNT = 3;
    static int result = 0;
    static int maxNum = 10;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Semaphore[] semaphores = new Semaphore[THREAD_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            //非公平信号量,每个信号量初始计数都为1
            semaphores[i] = new Semaphore(1);
            if (i != THREAD_COUNT - 1) {
                System.out.println(i+"==="+semaphores[i].getQueueLength());
                //获取一个许可前线程将一直阻塞, for 循环之后只有 syncObjects[2] 没有被阻塞
                semaphores[i].acquire();
            }
        }
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            // 初次执行,上一个信号量是 syncObjects[2]
            final Semaphore lastSemphore = i == 0 ? semaphores[THREAD_COUNT - 1] : semaphores[i - 1];
            final Semaphore currentSemphore = semaphores[i];
            final int index = i;
             new Thread(() -> {
                try {
                    while (true) {
                        // 初次执行,让第一个 for 循环没有阻塞的 syncObjects[2] 先获得令牌阻塞了
                        lastSemphore.acquire();
                        System.out.println("thread" + index + ": " + result++);
                        if (result > maxNum) {
                            System.exit(0);
                        }
                        // 释放当前的信号量,syncObjects[0] 信号量此时为 1,下次 for 循环中上一个信号量即为syncObjects[0]
                        currentSemphore.release();
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

使用 LockSupport

LockSupport 是 JDK 底层的基于 sun.misc.Unsafe 来实现的类,用来创建锁和其他同步工具类的基本线程阻塞原语。它的静态方法unpark()park()可以分别实现阻塞当前线程和唤醒指定线程的效果,所以用它解决这样的问题会更容易一些。

(在 AQS 中,就是通过调用 LockSupport.park( )LockSupport.unpark() 来实现线程的阻塞和唤醒的。)

public class PrintABCUsingLockSupport {

    private static Thread threadA, threadB, threadC;

    public static void main(String[] args) {
        threadA = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 打印当前线程名称
                System.out.print(Thread.currentThread().getName());
                // 唤醒下一个线程
                LockSupport.unpark(threadB);
                // 当前线程阻塞
                LockSupport.park();
            }
        }, "A");
        threadB = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 先阻塞等待被唤醒
                LockSupport.park();
                System.out.print(Thread.currentThread().getName());
                // 唤醒下一个线程
                LockSupport.unpark(threadC);
            }
        }, "B");
        threadC = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 先阻塞等待被唤醒
                LockSupport.park();
                System.out.print(Thread.currentThread().getName());
                // 唤醒下一个线程
                LockSupport.unpark(threadA);
            }
        }, "C");
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();
    }
}

理解了思路,解决其他问题就容易太多了。

比如,我们再解决下第五题:用两个线程,一个输出字母,一个输出数字,交替输出 1A2B3C4D...26Z

public class NumAndLetterPrinter {

    private static Thread numThread, letterThread;

    public static void main(String[] args) {
        letterThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 26; i++) {
                System.out.print((char) ('A' + i));
                LockSupport.unpark(numThread);
                LockSupport.park();
            }
        }, "letterThread");

        numThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 26; i++) {
                System.out.print(i);
                LockSupport.park();
                LockSupport.unpark(letterThread);
            }
        }, "numThread");
        numThread.start();
        letterThread.start();
    }
}

写在最后

好了,以上就是常用的五种实现方案,多练习几次,手撕没问题。

当然,这类问题,解决方式不止是我列出的这些,还会有 join、CountDownLatch、也有放在队列里解决的,思路有很多,面试官想考察的其实只是对多线程的编程功底,其实自己练习的时候,是个很好的巩固理解 JUC 的过程。

以梦为马,越骑越傻。诗和远方,越走越慌。不忘初心是对的,但切记要出发,加油吧,程序员。

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