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java多线程编程之连续打印abc的几种解法

2017-12-18 16:11 756 查看

一道编程题如下：

实例化三个线程，一个线程打印a，一个线程打印b，一个线程打印c，三个线程同时执行，要求打印出10个连着的abc。

题目分析：

通过题意我们可以得出，本题需要我们使用三个线程，三个线程分别会打印6次字符，关键是如何保证顺序一定是abc...呢。所以此题需要同步机制来解决问题！

令打印字符A的线程为ThreadA，打印B的ThreadB，打印C的为ThreadC。问题为三线程间的同步唤醒操作，主要的目的就是使程序按ThreadA->ThreadB->ThreadC->ThreadA循环执行三个线程，因此本人整理出了三种方式来解决此问题。

一、通过两个锁(不推荐，可读性和安全性比较差)

package com.demo.test;

/**
* 基于两个lock实现连续打印abcabc....
* @author lixiaoxi
*
*/
public class TwoLockPrinter implements Runnable {

// 打印次数
private static final int PRINT_COUNT = 10;
// 前一个线程的打印锁
private final Object fontLock;
// 本线程的打印锁
private final Object thisLock;
// 打印字符
private final char printChar;

public TwoLockPrinter(Object fontLock, Object thisLock, char printChar) {
this.fontLock = fontLock;
this.thisLock = thisLock;
this.printChar = printChar;
}

@Override
public void run() {
// 连续打印PRINT_COUNT次
for (int i = 0; i < PRINT_COUNT; i++) {
// 获取前一个线程的打印锁
synchronized (fontLock) {
// 获取本线程的打印锁
synchronized (thisLock) {
//打印字符
System.out.print(printChar);
// 通过本线程的打印锁唤醒后面的线程
// notify和notifyall均可,因为同一时刻只有一个线程在等待
thisLock.notify();
}
// 不是最后一次则通过fontLock等待被唤醒
// 必须要加判断，不然虽然能够打印10次，但10次后就会直接死锁
if(i < PRINT_COUNT - 1){
try {
// 通过fontLock等待被唤醒
fontLock.wait();

} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

}
}
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 打印A线程的锁
Object lockA = new Object();
// 打印B线程的锁
Object lockB = new Object();
// 打印C线程的锁
Object lockC = new Object();

// 打印a的线程
Thread threadA = new Thread(new TwoLockPrinter(lockC, lockA, 'A'));
// 打印b的线程
Thread threadB = new Thread(new TwoLockPrinter(lockA, lockB, 'B'));
// 打印c的线程
Thread threadC = new Thread(new TwoLockPrinter(lockB, lockC, 'C'));

// 依次开启a b c线程
threadA.start();
Thread.sleep(100); // 确保按顺序A、B、C执行
threadB.start();
Thread.sleep(100);
threadC.start();
Thread.sleep(100);
}

}

打印结果：

ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

分析：

此解法为了为了确定唤醒、等待的顺序，每一个线程必须同时持有两个对象锁，才能继续执行。一个对象锁是fontLock，就是前一个线程所持有的对象锁，还有一个就是自身对象锁thisLock。主要的思想就是，为了控制执行的顺序，必须要先持有fontLock锁，也就是前一个线程要释放掉前一个线程自身的对象锁，当前线程再去申请自身对象锁，两者兼备时打印，之后首先调用thisLock.notify()释放自身对象锁，唤醒下一个等待线程，再调用fontLock.wait()释放prev对象锁，暂停当前线程，等待再次被唤醒后进入循环。运行上述代码，可以发现三个线程循环打印ABC，共10次。程序运行的主要过程就是A线程最先运行，持有C，A对象锁，后释放A锁，唤醒B。线程B等待A锁，再申请B锁，后打印B，再释放B锁，唤醒C，线程C等待B锁，再申请C锁，后打印C，再释放C锁，唤醒A。看起来似乎没什么问题，但如果你仔细想一下，就会发现有问题，就是初始条件，三个线程按照A，B，C的顺序来启动，按照前面的思考，A唤醒B，B唤醒C，C再唤醒A。但是这种假设依赖于JVM中线程调度、执行的顺序，所以需要手动控制他们三个的启动顺序，即Thread.Sleep(100)。

二、通过一个ReentrantLock和三个conditon实现(推荐，安全性，性能和可读性较高)

package com.demo.test;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
* 基于一个ReentrantLock和三个conditon实现连续打印abcabc...
* @author lixiaoxi
*
*/
public class RcSyncPrinter implements Runnable{

// 打印次数
private static final int PRINT_COUNT = 10;
// 打印锁
private final ReentrantLock reentrantLock;
// 本线程打印所需的condition
private final Condition thisCondtion;
// 下一个线程打印所需要的condition
private final Condition nextCondtion;
// 打印字符
private final char printChar;

public RcSyncPrinter(ReentrantLock reentrantLock, Condition thisCondtion, Condition nextCondition,
char printChar) {
this.reentrantLock = reentrantLock;
this.nextCondtion = nextCondition;
this.thisCondtion = thisCondtion;
this.printChar = printChar;
}

@Override
public void run() {
// 获取打印锁 进入临界区
reentrantLock.lock();
try {
// 连续打印PRINT_COUNT次
for (int i = 0; i < PRINT_COUNT; i++) {
//打印字符
System.out.print(printChar);
// 使用nextCondition唤醒下一个线程
// 因为只有一个线程在等待，所以signal或者signalAll都可以
nextCondtion.signal();
// 不是最后一次则通过thisCondtion等待被唤醒
// 必须要加判断，不然虽然能够打印10次，但10次后就会直接死锁
if (i < PRINT_COUNT - 1) {
try {
// 本线程让出锁并等待唤醒
thisCondtion.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

}
} finally {
// 释放打印锁
reentrantLock.unlock();
}
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 写锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 打印a线程的condition
Condition conditionA = lock.newCondition();
// 打印b线程的condition
Condition conditionB = lock.newCondition();
// 打印c线程的condition
Condition conditionC = lock.newCondition();
// 实例化A线程
Thread printerA = new Thread(new RcSyncPrinter(lock, conditionA, conditionB, 'A'));
// 实例化B线程
Thread printerB = new Thread(new RcSyncPrinter(lock, conditionB, conditionC, 'B'));
// 实例化C线程
Thread printerC = new Thread(new RcSyncPrinter(lock, conditionC, conditionA, 'C'));
// 依次开始A B C线程
printerA.start();
Thread.sleep(100);
printerB.start();
Thread.sleep(100);
printerC.start();
}
}

打印结果：

ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

分析：

仔细想想本问题，既然同一时刻只能有一个线程打印字符，那我们为什么不使用一个同步锁ReentrantLock？线程之间的唤醒操作可以通过Condition实现，且Condition可以有多个，每个condition.await阻塞只能通过该condition的signal/signalall来唤醒！这是synchronized关键字所达不到的，那我们就可以给每个打印线程一个自身的condition和下一个线程的condition，每次打印字符后，调用下一个线程的condition.signal来唤醒下一个线程，然后自身再通过自己的condition.await来释放锁并等待唤醒。

三、通过一个锁和一个状态变量来实现（推荐）

package com.demo.test;

/**
* 基于一个锁和一个状态变量实现连续打印abcabc...
* @author lixiaoxi
*
*/
public class StateLockPrinter {
//状态变量
private volatile int state=0;

// 打印线程
private class Printer implements Runnable {
//打印次数
private static final int PRINT_COUNT=10;
//打印锁
private final Object printLock;
//打印标志位 和state变量相关
private final int printFlag;
//后继线程的线程的打印标志位，state变量相关
private final int nextPrintFlag;
//该线程的打印字符
private final char printChar;
public Printer(Object printLock, int printFlag,int nextPrintFlag, char printChar) {
super();
this.printLock = printLock;
this.printFlag=printFlag;
this.nextPrintFlag=nextPrintFlag;
this.printChar = printChar;
}

@Override
public void run() {
//获取打印锁 进入临界区
synchronized (printLock) {
//连续打印PRINT_COUNT次
for(int i=0;i<PRINT_COUNT;i++){
//循环检验标志位 每次都阻塞然后等待唤醒
while (state!=printFlag) {
try {
printLock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
return;
}
}
//打印字符
System.out.print(printChar);
//设置状态变量为下一个线程的标志位
state=nextPrintFlag;
//注意要notifyall，不然会死锁，因为notify只通知一个，
//但是同时等待的是两个,如果唤醒的不是正确那个就会没人唤醒，死锁了
printLock.notifyAll();
}
}
}

}

public void test() throws InterruptedException{
//锁
Object lock=new Object();
//打印A的线程
Thread threadA=new Thread(new Printer(lock, 0,1, 'A'));
//打印B的线程
Thread threadB=new Thread(new Printer(lock, 1,2, 'B'));
//打印C的线程
Thread threadC=new Thread(new Printer(lock, 2,0, 'C'));
//一次启动A B C线程
threadA.start();
Thread.sleep(1000);
threadB.start();
Thread.sleep(1000);
threadC.start();
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

StateLockPrinter print = new StateLockPrinter();
print.test();
}

}

打印结果：

ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

分析：

状态变量是一个volatile的整型变量，0代表打印a，1代表打印b，2代表打印c，三个线程都循环检验标志位，通过阻塞前和阻塞后两次判断可以确保当前打印的正确顺序，随后线程打印字符，然后设置下一个状态字符，唤醒其它线程，然后重新进入循环。

补充题

三个Java多线程循环打印递增的数字，每个线程打印5个数值，打印周期1-75，同样的解法：

package com.demo.test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
* 数字打印，三个线程同时打印数字，第一个线程打印12345，第二个线程打印678910 .........
* @author lixiaoxi
*
*/
public class NumberPrinter {

//打印计数器
private final AtomicInteger counter=new AtomicInteger(0);

private class Printer implements Runnable{
//总共需要打印TOTAL_PRINT_COUNT次
private static final int TOTAL_PRINT_COUNT = 5;
//每次打印PER_PRINT_COUNT次
private static final int PER_PRINT_COUNT = 5;
//打印锁
private final ReentrantLock reentrantLock;
//前一个线程的condition
private final Condition afterCondition;
//本线程的condition
private final Condition thisCondtion;

public Printer(ReentrantLock reentrantLock, Condition thisCondtion,Condition afterCondition) {
super();
this.reentrantLock = reentrantLock;
this.afterCondition = afterCondition;
this.thisCondtion = thisCondtion;
}

@Override
public void run() {
//进入临界区
reentrantLock.lock();
try {
//循环打印TOTAL_PRINT_COUNT次
for(int i=0;i<TOTAL_PRINT_COUNT;i++){
//打印操作
for(int j=0;j<PER_PRINT_COUNT;j++){
//以原子方式将当前值加 1。
//incrementAndGet返回的是新值（即加1后的值）
System.out.println(counter.incrementAndGet());
}
//通过afterCondition通知后面线程
afterCondition.signalAll();
if(i < TOTAL_PRINT_COUNT - 1){
try {
//本线程释放锁并等待唤醒
thisCondtion.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}
}

public void test() throws InterruptedException {
//打印锁
ReentrantLock reentrantLock=new ReentrantLock();
//打印A线程的Condition
Condition conditionA=reentrantLock.newCondition();
//打印B线程的Condition
Condition conditionB=reentrantLock.newCondition();
//打印C线程的Condition
Condition conditionC=reentrantLock.newCondition();

//打印线程A
Thread threadA=new Thread(new Printer(reentrantLock,conditionA, conditionB));
//打印线程B
Thread threadB=new Thread(new Printer(reentrantLock, conditionB, conditionC));
//打印线程C
Thread threadC=new Thread(new Printer(reentrantLock, conditionC, conditionA));
// 依次开启a b c线程
threadA.start();
Thread.sleep(100);
threadB.start();
Thread.sleep(100);
threadC.start();
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
NumberPrinter print = new NumberPrinter();
print.test();
}
}

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