Java多线程面试题之交替输出问题的实现

2024-04-02 19:04:59 771人浏览薄情痞子

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摘要

目录交替输出问题最简单的解法面试官想听到的解法更灵活，更精细的解法交替输出问题一定要保证交替输出，这就涉及到两个线程的同步问题。有人可能会想到，用睡眠时间差来实现，但是只要是多

交替输出问题

一定要保证交替输出，这就涉及到两个线程的同步问题。

有人可能会想到，用睡眠时间差来实现，但是只要是多线程里面，线程同步玩sleep()函数的，99.99%都是错的。

这道题其实有100多种解法。

最简单的解法

是这个问题的最优解，但其实不是面试官想听到的答案

关键函数

Locksupport.park()：阻塞当前线程
Locksupport.unpark("")：唤醒某个线程

LockSupport

package com.mashibing.juc.c_026_00_interview.A1B2C3
    
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class T02_00_LockSupport {
    
    static Thread t1 = null, t2 = null;
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();
    
        t1 = new Thread(() -> {

                for (char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    LockSupport.unpark(t2); // 叫醒t2
                    LockSupport.park(); // t1阻塞 当前线程阻塞
                }

            }, "t1");

            t2 = new Thread(() -> {

                for (char c : aC) {
                    LockSupport.park(); // t2挂起
                    System.out.print(c);
                    LockSupport.unpark(t1); // 叫醒t1
                }

            }, "t2");

            t1.start();
            t2.start();
    }
}

在这里插入图片描述

执行程序：

是我们想要的结果。

面试官想听到的解法

synchronized wait notify

package com.mashibing.juc.c_026_00_interview.A1B2C3

public class T06_00_sync_wait_notify {
    
    public static void main(String[] args) {

        final Object o = new Object();

        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();

        new Thread(() -> {
            // 首先创建一把锁
            synchronized (o) {
                for (char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    try {
                        o.notify(); // 叫醒等待队列里面的一个线程，对本程序来说就是另一个线程
                        o.wait(); // 让出锁
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                o.notify(); // 必须，否则无法停止程序
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (o) {
                for (char c : aC) {
                    System.out.print(c);
                    try {
                        o.notify();
                        o.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                o.notify();
            }
        }, "t2").start();
    }
}

可能有人会想，代码中的notify()和wait()顺序是不是没什么区别呢？那你就大错特错了，说明你不明白notify()和wait()是怎么执行的。

这道题其实是华为面试的填空题，让你填notify()和wait()。

如果我们先执行wait()，会先让自己直接进入等待队列，自己和另一个线程都在等待队列中等待，两个线程大?瞪小?，在那傻等，谁也叫不醒对方，也就是根本执行不了notify()。

我们发现，在程序的后面还有一个notify()，而且还是必须有的，为什么是必须呢？我们将它注释掉，输出一下看看

其实这是一个小坑。

虽然程序可以正常输出，但是程序没有结束；我们可以根据动图发现，最后一定是有一个线程是处在wait()状态的，没有人叫醒它，它就会永远处在等待状态中，从而程序无法结束，为了避免出现这种情况，我们要在后面加上一个notify()。

但是还有一个大坑！！！

玩过线程的应该早就发现了这个问题，如果第二个线程先抢到了，那么输出的就是A1B2C3了，怎么保证第一个永远先输出的是数字？

我们可以使用CountDownLatch这个类，它是JUC新的同步工具，这个类可以想象成一个门栓，当我们有线程执行到门这里，它会等待门栓把门打开，线程才会执行；如果t2抢先一步，那么它会执行await()方法，因为有门栓的存在，它只能在门外等待，所以t1线程会直接执行，执行到countDown()方法，使创建的CountDownLatch(1)参数置为0，即释放门栓，所以永远都是t1线程执行完，t2线程才会执行。

完整代码

package com.mashibing.juc.c_026_00_interview.A1B2C3

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class T07_00_sync_wait_notify {

    private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1); // 设置门栓的参数为1，即只有一个门栓

    public static void main(String[] args) {

        final Object o = new Object();

        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();

        new Thread(() -> {
            synchronized (o) {
                for (char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    latch.countDown(); // 门栓的数值-1，即打开门
                    try {
                        o.notify();
                        o.wait(); 
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                o.notify(); 
            }
        }, "t1").start();
        
        new Thread(() -> {
            try {
                latch.await(); // 想哪个线程后执行，await()就放在哪个线程里
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (o) {
                for (char c : aC) {
                    System.out.print(c);
                    try {
                        o.notify();
                        o.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                o.notify();
            }
        }, "t2").start();
    }
}

这样就解决了我们的担忧。

更灵活，更精细的解法

jdk提供了很多新的同步工具，在JUC包下，其中有一个专门替代synchronized的锁：Lock。

Lock ReentrantLock await signal

package com.mashibing.juc.c_026_00_interview.A1B2C3
    
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class T08_00_lock_condition {
    
        public static void main(String[] args) {

        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();

		Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();

        new Thread(() -> {
            
            lock.lock();
            
            try {
                for (char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    condition.signal();  // notify()
                    condition.await(); // wait()
                }
                condition.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock(); // synchronized
            try {
                for (char c : aC) {
                    System.out.print(c);
                    condition.signal(); // o.notify
                    condition.await(); // o.wait
                }
                condition.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t2").start();
    }
}

代码表面看起来，创建锁，调用方法跟synchronized没有区别，但是关键点在于Condition这个类，大家应该知道生产者和消费者这个概念，生产者生产馒头，生产满了进入等待队列，消费者吃馒头，吃光了同样进入等待队列，如果我们使用传统的synchronized，当生产者生产满时，需要从等待队列中叫醒消费者，但调用notify方法时，我们能保证一定叫醒的是消费者吗？不能，这件事是无法做到的，那该怎么保证叫醒的一定是消费者呢？

有两种解决方案：

① 如果篮子已经满了，生产者会去等待队列中叫醒一个线程，但如果叫醒的线程还是一个生产者，那么新的生产者起来之后一定要先检查一下篮子是否满了，不能上来就生产，如果是满的，那接着去叫醒下一个线程，这样依次重复，我们一定会有一次叫醒的是消费者。

② notifyAll()方法：将等待队列中的生产者和消费者全唤醒，消费者发现篮子是满的，就去消费，生产者发现篮子是满的，就继续回到等待队列。

但不管是这两个哪种解决方案，我们唤醒的线程都是不精确的，全都存在着浪费。

这就是synchronized做同步的问题。

Lock本身就可以解决这个问题，靠的就是Condition，Condition可以做到精确唤醒。

Condition是条件的意思，但我们可以把它当做队列来看待。

一个condition就是一个等待队列。

标准代码

package com.mashibing.juc.c_026_00_interview.A1B2C3

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

public class T08_00_lock_condition {

    public static void main(String[] args) {

        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();

        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition conditionT1 = lock.newCondition(); // 队列1
        Condition conditionT2 = lock.newCondition(); // 队列2

        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        new Thread(() -> {

            lock.lock(); // synchronized

            try {
                for (char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    latch.countDown();
                    conditionT2.signal();  // o.notify()
                    conditionT1.await(); // o.wait()
                }
                conditionT2.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {

            try {
                latch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            lock.lock(); // synchronized

            try {
                for (char c : aC) {
                    System.out.print(c);
                    conditionT1.signal(); // o.notify
                    conditionT2.await(); // o.wait
                }
                conditionT1.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t2").start();
    }
}