面试官：请用五种方法来实现多线程交替打印问题
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2021-12-13 02:08
三个线程T1、T2、T3，如何让他们按顺序执行？
这是一道面试中常考的并发编程的代码题，与它相似的问题有：
三个线程T1、T2、T3轮流打印ABC，打印n次，如ABCABCABCABC....... 两个线程交替打印1-100的奇偶数 N个线程循环打印1-100 ......
其实这类问题本质上都是线程通信问题，思路基本上都是一个线程执行完毕，阻塞该线程，唤醒其他线程，按顺序执行下一个线程。下面先来看最简单的，如何按顺序执行三个线程。
synchronized+wait/notify
基本思路就是线程A、线程B、线程C三个线程同时启动，因为变量num的初始值为0，所以线程B或线程C拿到锁后，进入while()循环，然后执行wait()方法，线程线程阻塞，释放锁。只有线程A拿到锁后，不进入while()循环，执行num++，打印字符A，最后唤醒线程B和线程C。此时num值为1，只有线程B拿到锁后，不被阻塞，执行num++，打印字符B，最后唤醒线程A和线程C，后面以此类推。
class Wait_Notify_ACB {
private int num;
private static final Object LOCK = new Object();
private void printABC(int targetNum) {
synchronized (LOCK) {
while (num % 3 != targetNum) { //想想这里为什么不能用if代替while，想不起来可以看公众号上一篇文章
try {
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
num++;
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
LOCK.notifyAll();
}
}
public static void main(String[] args) {
Wait_Notify_ACB wait_notify_acb = new Wait_Notify_ACB ();
new Thread(() -> {
wait_notify_acb.printABC(0);
}, "A").start();
new Thread(() -> {
wait_notify_acb.printABC(1);
}, "B").start();
new Thread(() -> {
wait_notify_acb.printABC(2);
}, "C").start();
}
}
输入结果：
ABC
Process finished with exit code 0
接下来看看第一个问题，三个线程T1、T2、T3轮流打印ABC，打印n次。其实只需要将上述代码加一个循环即可，这里假设n=10。
class Wait_Notify_ACB {
private int num;
private static final Object LOCK = new Object();
private void printABC(int targetNum) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
synchronized (LOCK) {
while (num % 3 != targetNum) { //想想这里为什么不能用if代替，想不起来可以看公众号上一篇文章
try {
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
num++;
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
LOCK.notifyAll();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Wait_Notify_ACB wait_notify_acb = new Wait_Notify_ACB ();
new Thread(() -> {
wait_notify_acb.printABC(0);
}, "A").start();
new Thread(() -> {
wait_notify_acb.printABC(1);
}, "B").start();
new Thread(() -> {
wait_notify_acb.printABC(2);
}, "C").start();
}
}
输出结果：
ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC
Process finished with exit code 0
下面看第二个问题，两个线程交替打印1-100的奇偶数，为了减少输入所占篇幅，这里将100 改成了10。基本思路上面类似，线程odd先拿到锁——打印数字——唤醒线程even——阻塞线程odd，以此循环。
class Wait_Notify_Odd_Even{
private Object lock = new Object();
private volatile int count;
private void printOddEven() {
synchronized (lock) {
while (count < 10) {
try {
System.out.print( Thread.currentThread().getName() + "：");
System.out.println(++count);
lock.notifyAll();
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//防止count=10后，while()循环不再执行，有子线程被阻塞未被唤醒，导致主线程不能退出
lock.notifyAll();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Wait_Notify_Odd_Even waitNotifyOddEven = new Wait_Notify_Odd_Even();
new Thread(waitNotifyOddEven::printOddEven, "odd").start();
Thread.sleep(10); //为了保证线程odd先拿到锁
new Thread(waitNotifyOddEven::printOddEven, "even").start();
}
}
运行结果：
odd：1
even：2
odd：3
even：4
odd：5
even：6
odd：7
even：8
odd：9
even：10
再看第三个问题，N个线程循环打印1-100，其实仔细想想这个和三个线程循环打印ABC并没有什么本质区别，只需要加上判断是否到了打印数字的最大值的语句即可。假设N=3，为了能把输出结果完全显示，打印1-10，代码如下：
class Wait_Notify_100 {
private int num;
private static final Object LOCK = new Object();
private int maxnum = 10;
private void printABC(int targetNum) {
while (true) {
synchronized (LOCK) {
while (num % 3 != targetNum) { //想想这里为什么不能用if代替，想不起来可以看公众号上一篇文章
if(num >= maxnum){
break;
}
try {
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(num >= maxnum){
break;
}
num++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + num);
LOCK.notifyAll();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Wait_Notify_100 wait_notify_100 = new Wait_Notify_100 ();
new Thread(() -> {
wait_notify_100.printABC(0);
}, "thread1").start();
new Thread(() -> {
wait_notify_100.printABC(1);
}, "thread2").start();
new Thread(() -> {
wait_notify_100.printABC(2);
}, "thread3").start();
}
}
输出结果：
thread1: 1
thread2: 2
thread3: 3
thread1: 4
thread2: 5
thread3: 6
thread1: 7
thread2: 8
thread3: 9
thread1: 10
面试官： 大家都是用的synchronized+wait/notify，你能不能换个方法解决该问题？
我： 好的，我还会用join()方法
下面介绍的方法只给出第一道题的代码了，否则太长了，相信大家可以举一反三
join()
join()方法：在A线程中调用了B线程的join()方法时，表示只有当B线程执行完毕时，A线程才能继续执行。基于这个原理，我们使得三个线程按顺序执行，然后循环多次即可。无论线程1、线程2、线程3哪个先执行，最后执行的顺序都是线程1——>线程2——>线程3。代码如下：
class Join_ABC {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread t1 = new Thread(new printABC(null),"A");
Thread t2 = new Thread(new printABC(t1),"B");
Thread t3 = new Thread(new printABC(t2),"C");
t0.start();
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(10); //这里是要保证只有t1、t2、t3为一组，进行执行才能保证t1->t2->t3的执行顺序。
}
}
static class printABC implements Runnable{
private Thread beforeThread;
public printABC(Thread beforeThread) {
this.beforeThread = beforeThread;
}
@Override
public void run() {
if(beforeThread!=null) {
try {
beforeThread.join();
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
}else {
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
}
}
}
}
输出结果：
ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC
面试官： 还会其他方法吗？
我： 还会使用Lock解决该问题。
Lock
该方法很容易理解，不管哪个线程拿到锁，只有符合条件的才能打印。代码如下：
class Lock_ABC {
private int num; // 当前状态值：保证三个线程之间交替打印
private Lock lock = new ReentrantLock();
private void printABC(int targetNum) {
for (int i = 0; i < 10; ) {
lock.lock();
if (num % 3 == targetNum) {
num++;
i++;
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
}
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
Lock_ABC lockABC = new Lock_ABC();
new Thread(() -> {
lockABC.printABC(0);
}, "A").start();
new Thread(() -> {
lockABC.printABC(1);
}, "B").start();
new Thread(() -> {
lockABC.printABC(2);
}, "C").start();
}
}
输出结果：
ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC
面试官： 该方法存在什么问题，可以进一步优化吗
我： 可以使用Lock+Condition实现对线程的精准唤醒，减少对同步锁的无意义竞争，浪费资源。
Lock+Condition
该思路和synchronized+wait/notify方法的很像，synchronized对应lock，await/signal方法对应wait/notify方法。下面的代码为了能精准地唤醒下一个线程，创建了多个Condition对象。
class LockConditionABC {
private int num;
private static Lock lock = new ReentrantLock();
private static Condition c1 = lock.newCondition();
private static Condition c2 = lock.newCondition();
private static Condition c3 = lock.newCondition();
private void printABC(int targetNum, Condition currentThread, Condition nextThread) {
for (int i = 0; i < 10; ) {
lock.lock();
try {
while (num % 3 != targetNum) {
currentThread.await(); //阻塞当前线程
}
num++;
i++;
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
nextThread.signal(); //唤醒下一个线程，而不是唤醒所有线程
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
LockConditionABC print = new LockConditionABC();
new Thread(() -> {
print.printABC(0, c1, c2);
}, "A").start();
new Thread(() -> {
print.printABC(1, c2, c3);
}, "B").start();
new Thread(() -> {
print.printABC(2, c3, c1);
}, "C").start();
}
}
输出结果：
ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC
面试官： 除了该方法，还有什么方法可以避免唤醒其他无意义的线程避免资源浪费？
我： 可以通过使用信号量来实现。
Semaphore
Semaphore：用来控制同时访问某个特定资源的操作数量，或者同时执行某个指定操作的数量。Semaphore内部维护了一个计数器，其值为可以访问的共享资源的个数。
一个线程要访问共享资源，先使用acquire()方法获得信号量，如果信号量的计数器值大于等于1，意味着有共享资源可以访问，则使其计数器值减去1，再访问共享资源。如果计数器值为0,线程进入休眠。
当某个线程使用完共享资源后，使用release()释放信号量，并将信号量内部的计数器加1，之前进入休眠的线程将被唤醒并再次试图获得信号量。
代码如下：
class SemaphoreABC {
private static Semaphore s1 = new Semaphore(1); //因为先执行线程A，所以这里设s1的计数器为1
private static Semaphore s2 = new Semaphore(0);
private static Semaphore s3 = new Semaphore(0);
private void printABC(Semaphore currentThread, Semaphore nextThread) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
currentThread.acquire(); //阻塞当前线程，即信号量的计数器减1为0
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
nextThread.release(); //唤醒下一个线程，即信号量的计数器加1
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SemaphoreABC printer = new SemaphoreABC();
new Thread(() -> {
printer.printABC(s1, s2);
}, "A").start();
Thread.sleep(10);
new Thread(() -> {
printer.printABC(s2, s3);
}, "B").start();
Thread.sleep(10);
new Thread(() -> {
printer.printABC(s3, s1);
}, "C").start();
}
}
输出结果：
ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC
面试官： 除了上述五种方法，还有其他方法解决多线程交替打印问题吗
我： 还有LockSupport、CountDownLatch、AtomicInteger等等。
面试官： 那如何实现三个线程循环打印ACB，其中A打印两次，B打印三次，C打印四次呢？
我：......
面试官：如何用两个线程交叉打印数字和字符呢？例如A1B2C3......Z26
我：......
真实的面试中，面试官肯定不会让用这么多方法解决多线程交替打印问题，大家记住一两种就可以了，上面中的面试场景纯属瞎编。大家可以思考下后面两个升级版的问题，原理都是相通的。