Java多线程：交替打印FooBar

野性酷女 2023-10-06 19:54 55阅读 0赞

## Java多线程：交替打印FooBar ##

#### 文章目录 ####

*  Java多线程：交替打印FooBar
 *   *   *  问题
         *  方法
         *   *  1.Semaphore
             *   *  代码：
             *  2.CyclicBarrier
             *   *  代码
             *  3.Thread.yield()
             *   *  代码
             *  4.ReentrantLock
             *   *  代码：
             *  5.BlockingQueue
             *   *  代码：
             *  6.Synchronized + wait()/notify() 等待/通知机制
             *   *  代码：
             *  7.LockSupport
             *   *  代码

#### 问题 ####

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#### 方法 ####

##### 1.Semaphore #####

Semaphore常用于控制同时访问特定资源的线程数。  
  通过构造方法`Semaphore(int permits)`构造Semaphore，permits表示可用的许可证数量，例如`Semaphore(10)`即用于控制最多10个线程同时访问特定资源。  
  如果线程要访问一个资源就必须先获得对应信号量Semaphore的许可证。线程使用Semaphore的`acquire()`方法来获取一个许可证，如果信号量内部计数器大于0，信号量减1，然后允许共享这个资源；否则，如果信号量的计数器等于0，信号量将会把线程置入休眠直至计数器大于0。当信号量使用完时，必须释放，线程调用Semaphore的`release()`方法归还许可证。  
  Java多线程中的Semaphore信号量和当初我们学习操作系统时接触的信号量原理是类似的，我们也可以使用它完成线程间的同步

当我们准备打印Foo时，我们须保证Bar已经打印，因此我们需要一个表示Bar已经打印完成的信号量，记为barFinish，在打印Foo之前，我们去获取barFinish对应的许可证，由于我们最开始需要先打印Foo，且只有一个打印Foo的线程需要进行许可证获取，因此barFinish的初始值设为1。  
  同理，当我们准备打印Bar时，必须保证Foo已经打印，因此需要一个表示Foo已经打印完成的信号量，记为fooFinish，在打印Bar之前，我们去获取fooFinish对应的许可证，由于我们最开始需要先打印Foo，即在第一个Foo打印出来之前先禁止打印Bar，且只有一个打印Bar的线程需要进行许可证获取，因此fooFinish的初始值设为0。  
  在Foo打印完成或Bar打印完成之后，需要通知另一个线程，即对应信号量的release操作，在foo打印完后，我们释放fooFinish信号量的许可证，通知打印bar，同理，在bar打印完后，我们释放barFinish信号量的许可证，通知打印foo。

###### 代码： ######

class FooBar {
        
            private int n;
    
            public FooBar(int n) {
        
                this.n = n;
            }
    
            private Semaphore fooFinish = new Semaphore(0);
            private Semaphore barFinish = new Semaphore(1);
    
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                    barFinish.acquire();
                    // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                    printFoo.run();
                    fooFinish.release();
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                    fooFinish.acquire();
                    // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                    printBar.run();
                    barFinish.release();
                }
            }
        }

##### 2.CyclicBarrier #####

CyclicBarrier从字面意思上理解是可循环的Barrier，它的作用是：让一组线程到达一个Barrier（屏障，即同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截（阻塞）的线程才会继续运行。从作用上来看，CyclicBarrier与CountDownLatch很相似，主要的区别是CyclicBarrier可重复使用，而CountDownLatch是一次性的。  
  CyclicBarrier默认的构造方法是`CyclicBarrier(int parties)`，参数表示屏障拦截的线程数。线程调用CyclicBarrier的`await()`方法告知CyclicBarrier其已经到达屏障，然后线程被阻塞。  
  在CyclicBarrier的实现中，若计数器减为0，将调用nextGeneration方法将屏障转到下一代，在该方法中会将所有线程唤醒，将计数器的值重新设为parties，因此CyclicBarrier是可以重复使用的，当所有线程都到达同步点，计数器为0时，线程全被唤醒，之后计数器的值又会复原。

因为共有2个线程，CyclicBarrier的计数值设为2。我们需要使用CyclicBarrier实现线程间的相互等待，打印foo之前需要等待bar打印完成，打印bar之前需要等待foo打印完成，第一次需要先打印foo，因此我们可以在打印foo之后调用CyclicBarrier的await方法等待打印bar的线程，在打印bar之前调用await方法等待foo打印完成。但这还不够，因为线程都达到同步点后，有可能打印foo的线程比打印bar的线程快，在打印bar之前又打印了一次foo，因此连续打印了两个foo。因此我们还需要创建一个volatile变量作为条件变量，以保证在都到达同步点后，bar打印一定在foo打印之前，将该条件变量设为`barExecuting`，或许会想到在打印bar之前的await()方法后，加上`barExecuting = true`，表示bar线程要执行打印bar了，foo线程先等等，同时在打印foo之前加上while判断，若`barExecuting = true`，则执行空循环等待。但这不行，有可能还没执行改变`barExecuting`状态语句，foo就打印完了，因此在打印完foo之后，将`barExecuting = true`，用foo线程自己来控制自己，这样就能保证一定不会出现连续的两个foo了。打印完bar之后，将`barExecuting = false`，通知foo线程bar已经打印完了，foo线程退出空循环。

###### 代码 ######

class FooBar {
        
            private int n;
    
            public FooBar(int n) {
        
                this.n = n;
            }
    
            private CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2);
            private volatile boolean barExecuting = false;
    
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                    while (barExecuting) {
        
    
                    }
                    // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                    printFoo.run();
                    barExecuting = true;
                    try {
        
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
    
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                    try {
        
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                    printBar.run();
                    barExecuting = false;
                }
            }
        }

##### 3.Thread.yield() #####

Thread.yield()表示线程礼让，线程礼让是指在某个特定的时间点，让线程暂停抢占CPU资源的行为，运行状态/就绪状态——>阻塞状态，将CPU资源让给其他线程来使用  
  假如线程甲和线程乙在交替执行，某个时间点线程甲做出了礼让，所以在这个时间节点线程乙拥有了CPU资源，执行业务逻辑，但不代表线程甲一直暂停执行。线程甲只是在特定的时间节点礼让，过了时间节点，线程甲再次进入就绪状态，和线程乙争夺CPU资源

正确的思路是，当现在不应该是foo线程运行时，foo线程进行礼让，不应该是bar线程运行时，bar线程进行礼让。因此我们还需要创建一个volatile变量作为条件变量，以判断现在到底是foo线程该执行还是bar线程该执行，设该条件变量为`fooCanExecute`，表示foo线程是否该执行，初值为true，在打印foo之前判断`fooCanExecute`是否为true，若为true则打印foo，同时将`fooCanExecute = false`，若打印前判断`fooCanExecute`为false，则进行线程礼让。同理，在打印bar之前判断`fooCanExecute`是否为false，若为false则打印bar，同时`fooCanExecute = true`，若打印前判断`fooCanExecute`为true，进行线程礼让。需注意循环变量i的恢复操作。

###### 代码 ######

class FooBar {
        
        private int n;
    
        public FooBar(int n) {
        
            this.n = n;
        }
    
                private volatile boolean fooCanExecute = true;
    
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                    if (fooCanExecute) {
        
                        // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                        printFoo.run();
                        fooCanExecute = false;
                    }
                    else {
        
                        Thread.yield();
                        i--;
                    }
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                    if (!fooCanExecute) {
        
                        // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                        printBar.run();
                        fooCanExecute = true;
                    } else {
        
                        Thread.yield();
                        i--;
                    }
                }
            }
    }

##### 4.ReentrantLock #####

打印foo或bar的代码区域作为不能两个线程同时执行的区域，将其用ReentrantLock上锁，但这还不够，因为若foo线程速度更快，可能会连续打印foo。因此还需要volatile变量作为条件变量，设为`fooCanExecute`，初始为true，打印foo前判断其是否为true，打印完后将其变为false，bar线程的处理与其相反

由于ReentrantLock的可重复上锁和解锁的性质，下述代码执行过程中，某线程可能会不断上锁解锁，导致开销很大，因此该代码提交后会超时，这样使用ReentrantLock不是一种较好的实现方式

###### 代码： ######

class FooBar {
        
            private int n;
            public FooBar(int n) {
        
                this.n = n;
            }
            private volatile boolean fooCanExecute = true;
            private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n;) {
        
                    lock.lock();
                    try {
        
                        if (fooCanExecute) {
        
                            // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                            printFoo.run();
                            fooCanExecute = false;
                            i++;
                        }
                    } finally {
        
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n;) {
        
                    lock.lock();
                    try {
        
                        if (!fooCanExecute) {
        
                            // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                            printBar.run();
                            fooCanExecute = true;
                            i++;
                        }
                    } finally {
        
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        }

##### 5.BlockingQueue #####

阻塞队列BlockingQueue是一个支持阻塞的插入和移出方法的队列，阻塞的插入指当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。阻塞的移出是指当队列为空时，获取元素的线程会被阻塞，等待队列变为非空。  
  阻塞队列的`put(e)`和`take()`方法即对应阻塞的插入和移出  
  根据上述性质，我们可以知道阻塞队列很适合用于生产者消费者的场景。

我们也可以用阻塞队列完成本题，我们将打印foo和打印bar看作两个任务，创建两个阻塞队列表示任务队列，由于第一次需先打印foo，因此表示打印foo任务的阻塞队列先置入一个元素，表示bar任务的阻塞队列初始为空，在打印foo和bar之前，我们调用阻塞的移出方法，从任务队列中取元素，若能取到，则执行打印，否则阻塞。在打印完成后，向对方的任务队列中插入元素

JDK提供了7种阻塞队列，这里使用用链表实现的LinkedBlockingQueue

###### 代码： ######

class FooBar {
        
            private int n;
            public FooBar(int n) {
        
                this.n = n;
            }
    
            private LinkedBlockingQueue<Integer> fooQ = new LinkedBlockingQueue<Integer>() {
        {
        add(0);}};
            private LinkedBlockingQueue<Integer> barQ = new LinkedBlockingQueue<>();
    
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n;i++) {
        
                    fooQ.take();
                            // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                            printFoo.run();
                    barQ.put(0);
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n;i++) {
        
                    barQ.take();
                            // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                            printBar.run();
                    fooQ.put(0);
                }
            }
        }

##### 6.Synchronized + wait()/notify() 等待/通知机制 #####

等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()或notifyAll()方法，线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而执行后续操作。  
  等待/通知机制是依托于同步机制的，一般先使用synchronized获取对象O的锁，再调用wait()或notify()

单用wait()/notify()达不到效果，在打印前调用wait()，打印后调用notify()，两个线程都会在wait()处阻塞。因此我们还需要创建volatile变量表示条件变量，设为`canBar`，表示bar线程是否能执行，初值为false，在打印foo前先判断`canBar`是否为false（用if或while判断均可），若为false，则打印foo，将`canBar`设为true，之后调用notifyAll()唤醒等待的bar线程。若`canBar`为true，则调用wait()等待。Bar线程中的处理相反即可

###### 代码： ######

class FooBar {
        
            private int n;
            public FooBar(int n) {
        
                this.n = n;
            }
    
            private Object lock = new Object();
            private volatile boolean canBar = false;
    
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n;i++) {
        
                    synchronized (lock) {
        
                        while (canBar) {
        
                            lock.wait();
                        }
                            // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                            printFoo.run();
                        canBar = true;
                        lock.notifyAll();
                    }
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
    
                for (int i = 0; i < n;i++) {
        
                    synchronized (lock) {
        
                        while (!canBar) {
        
                            lock.wait();
                        }
                            // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                            printBar.run();
                        canBar = false;
                        lock.notifyAll();
                    }
                }
            }
        }

##### 7.LockSupport #####

LockSupport工具类定义了一组公共静态方法，这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能。  
  LockSupport定义了一组以park开头的方法用来阻塞当前线程，如`LockSupport.park()`表示阻塞当前线程，以及`LockSupport.unpark(Thread thread)`唤醒一个被阻塞的线程。

由于LockSupport的唤醒方法需要线程作为参数，因此创建一个ConcurrentHashMap保存线程，key为String，value为Thread，调用唤醒方法时参数从ConcurrentHashMap中取。  
  同样也需借助volatile变量作为条件变量以判断当前打印是否能执行，设为`canBar`，初值为false。在打印foo之前，判断`canBar`是否为false，若为false，则打印foo，`canBar`设为true，并调用unpark方法唤醒bar线程。若打印前判断`canBar`为true，则调用park方法阻塞自己。Bar线程的处理同理，相反即可。

###### 代码 ######

class FooBar {
        
            private int n;
            public FooBar(int n) {
        
                this.n = n;
            }
    
            private volatile boolean canBar = false;
            private Map<String, Thread> map = new ConcurrentHashMap<>();
    
    
            public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        
                map.put("foo", Thread.currentThread());
                for (int i = 0; i < n;i++) {
        
                        while (canBar) {
        
                            LockSupport.park();
                        }
                            // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
                            printFoo.run();
                        canBar = true;
                        LockSupport.unpark(map.get("bar"));
                }
            }
    
            public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        
                map.put("bar", Thread.currentThread());
                for (int i = 0; i < n;i++) {
        
                        while (!canBar) {
        
                            LockSupport.park();
                        }
                            // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
                            printBar.run();
                        canBar = false;
                        LockSupport.unpark(map.get("foo"));
                }
            }
        }

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