三个线程交替顺序打印ABC

题目描述

建立三个线程A、B、C，A线程打印10次字母A，B线程打印10次字母B,C线程打印10次字母C，但是要求三个线程同时运行，并且实现交替打印，即按照ABCABCABC的顺序打印。

5种方法

1. 使用synchronized, wait和notifyAll
2. 使用Lock->ReentrantLock 和 state标志
3. 使用Lock->ReentrantLock 和Condition（await 、signal、signalAll）
4. 使用Semaphore
5. 使用AtomicInteger

1、使用synchronized, wait和notifyAll

使用同步块和wait、notify的方法控制三个线程的执行次序。具体方法如下：从大的方向上来讲，该问题为三线程间的同步唤醒操作，主要的目的就是ThreadA->ThreadB->ThreadC->ThreadA循环执行三个线程。为了控制线程执行的顺序，那么就必须要确定唤醒、等待的顺序，所以每一个线程必须同时持有两个对象锁，才能进行打印操作。一个对象锁是prev，就是前一个线程所对应的对象锁，其主要作用是保证当前线程一定是在前一个线程操作完成后（即前一个线程释放了其对应的对象锁）才开始执行。还有一个锁就是自身对象锁。主要的思想就是，为了控制执行的顺序，必须要先持有prev锁（也就前一个线程要释放其自身对象锁），然后当前线程再申请自己对象锁，两者兼备时打印。之后首先调用self.notify()唤醒下一个等待线程（注意notify不会立即释放对象锁，只有等到同步块代码执行完毕后才会释放），再调用prev.wait()立即释放prev对象锁，当前线程进入休眠，等待其他线程的notify操作再次唤醒。

package com.beike.offer;
public class Synchronized_ABC {
    public static class ThreadPrinter implements Runnable {
        private String name;
        private Object prev;
        private Object self;

        private ThreadPrinter(String name, Object prev, Object self) {
            this.name = name;
            this.prev = prev;
            this.self = self;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 10;
            while (count > 0) {// 多线程并发，不能用if，必须使用whil循环
                synchronized (prev) { // 先获取 prev 锁
                    synchronized (self) {// 再获取 self 锁
                        System.out.print(name);// 打印
                        count--;

                        self.notifyAll();// 唤醒其他线程竞争self锁，注意此时self锁并未立即释放。
                    }
                    // 此时执行完self的同步块，这时self锁才释放。
                    try {
                        if (count == 0) {// 如果count==0,表示这是最后一次打印操作，通过notifyAll操作释放对象锁。
                            prev.notifyAll();
                        } else {
                            prev.wait(); // 立即释放 prev锁，当前线程休眠，等待唤醒
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object a = new Object();
        Object b = new Object();
        Object c = new Object();
        ThreadPrinter pa = new ThreadPrinter("A", c, a);
        ThreadPrinter pb = new ThreadPrinter("B", a, b);
        ThreadPrinter pc = new ThreadPrinter("C", b, c);

        new Thread(pa).start();
        Thread.sleep(10);// 保证初始ABC的启动顺序
        new Thread(pb).start();
        Thread.sleep(10);
        new Thread(pc).start();
        Thread.sleep(10);
    }
}

2、使用Lock 和 state标志

public class Lock_State_ABC {
    private static Lock lock=new ReentrantLock();
    private static int state=0;//通过state的值来确定是哪个线程打印

   static class ThreadA extends Thread{
        @Override
        public void run(){
            for (int i = 0; i <10 ; ) {
                try{
                    lock.lock();
                    while(state%3==0){// 多线程并发，不能用if，必须用循环测试等待条件，避免虚假唤醒
                        System.out.print("A");
                        state++;
                        i++;
                    }
                }finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread{
        @Override
        public void run(){
            for (int i = 0; i <10 ; ) {
                try{
                    lock.lock();
                    while(state%3==1){
                        System.out.print("B");
                        state++;
                        i++;
                    }
                }finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }


    static class ThreadC extends Thread{
        @Override
        public void run(){
            for (int i = 0; i <10 ; ) {
                try{
                    lock.lock();
                    while(state%3==2){
                        System.out.print("C");
                        state++;
                        i++;
                    }
                }finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new ThreadA().start();
        new ThreadB().start();
        new ThreadC().start();
    }
}
//输出ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

3、使用Lock->ReentrantLock 和Condition（await 、signal、signalAll）

与ReentrantLock搭配的通行方式是Condition，如下：

private Lock lock = new ReentrantLock();  
private Condition condition = lock.newCondition(); 
condition.await();//this.wait();  
condition.signal();//this.notify();  
condition.signalAll();//this.notifyAll();

Condition是被绑定到Lock上的，必须使用lock.newCondition()才能创建一个Condition。从上面的代码可以看出，Synchronized能实现的通信方式，Condition都可以实现，功能类似的代码写在同一行中。这样解题思路就和第一种方法基本一致，只是采用的方法不同。

public class Lock_Condition_ABC {
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition A = lock.newCondition();
    private static Condition B = lock.newCondition();
    private static Condition C = lock.newCondition();

    private static int count = 0;

    static class ThreadA extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();

                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    while (count % 3 != 0){//注意这里是不等于0，也就是说没轮到该线程执行，之前一直等待状态
                        A.await(); //该线程A将会释放lock锁，构造成节点加入等待队列并进入等待状态
                    }
                    System.out.print("A");
                    count++;
                    B.signal(); // A执行完唤醒B线程
                }

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    while (count % 3 != 1)
                        B.await();// B释放lock锁，当前面A线程执行后会通过B.signal()唤醒该线程
                    System.out.print("B");
                    count++;
                    C.signal();// B执行完唤醒C线程
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class ThreadC extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    while (count % 3 != 2)
                        C.await();// C释放lock锁
                    System.out.print("C");
                    count++;
                    A.signal();// C执行完唤醒A线程
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ThreadA().start();
        new ThreadB().start();
        new ThreadC().start();
    }
}

4、使用Semaphore

4.1 Semaphore介绍

Semaphore又称信号量，是操作系统中的一个概念，在Java并发编程中，信号量控制的是线程并发的数量。
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Semaphore实现原理简单理解：
Semaphore是用来保护一个或者多个共享资源的访问，Semaphore信号量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，先获得信号量，如果信号量的计数器值大于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。

就好比一个厕所管理员，站在门口，只有厕所有空位，就开门允许与空侧数量等量的人进入厕所。多个人进入厕所后，相当于N个人来分配使用N个空位。为避免多个人来同时竞争同一个侧卫，在内部仍然使用锁来控制资源的同步访问。

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，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。
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Semaphore内部主要通过AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现线程的管理。Semaphore有两个构造函数，第一个参数permits表示许可数，它最后传递给了AQS的state值。线程在运行时首先获取许可，如果成功，许可数就减1，线程运行，当线程运行结束就释放许可，许可数就加1。如果许可数为0，则获取失败，线程位于AQS的等待队列中，它会被其它释放许可的线程唤醒。在创建Semaphore对象的时候还可以指定它的公平性。一般常用非公平的信号量，非公平信号量是指在获取许可时先尝试获取许可，而不必关心是否已有需要获取许可的线程位于等待队列中，如果获取失败，才会入列。而公平的信号量在获取许可时首先要查看等待队列中是否已有线程，如果有则入列。

//非公平的构造函数
public Semaphore(int permits);//permits=10，表示允许10个线程获取许可证，最大并发数是10；
////通过fair参数决定公平性
public Semaphore(int permits，boolean fair)

Semaphore semaphore = new Semaphore(10,true);  
semaphore.acquire();  //线程获取许可证
//do something here  
semaphore.release();  //线程归还许可证

4.2 代码

public class Semaphore_ABC {
    // 以A开始的信号量,初始信号量数量为1
    private static Semaphore A = new Semaphore(1);
    // B、C信号量,A完成后开始,初始信号数量为0
    private static Semaphore B = new Semaphore(0);
    private static Semaphore C = new Semaphore(0);

    static class ThreadA extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    A.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("A");
                    B.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
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    B.acquire();
                    System.out.print("B");
                    C.release();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class ThreadC extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    C.acquire();
                    System.out.println("C");
                    A.release();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ThreadA().start();
        new ThreadB().start();
        new ThreadC().start();
    }

}

可以看到信号量的变化情况如下：
初始(A=1,B=0,C=0)—>第一次执行线程A时(A=1,B=0,C=0)—->第一次执行线程B时（A=0,B=1,C=0）—->第一次执行线程C时(A=0,B=0,C=1)—>第二次执行线程A(A=1,B=0,C=0)如此循环。

5、使用AtomicInteger

public class Atomtic_ABC {

    private AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
    private static final int MAX_SYC_VALUE = 3 * 10;

    private class RunnableA implements Runnable {
        public void run() {
            while (ai.get() < MAX_SYC_VALUE-1) {
                if (ai.get() % 3 == 0) {
                    System.out.print("A");
                    ai.getAndIncrement();
                }
            }

        }
    }

    private class RunnableB implements Runnable {
        public void run() {
            while (ai.get() < MAX_SYC_VALUE) {
                if (ai.get() % 3 == 1) {
                    System.out.print("B");
                    ai.getAndIncrement();
                }
            }

        }
    }

    private class RunnableC implements Runnable {
        public void run() {
            while (ai.get() < MAX_SYC_VALUE) {
                if (ai.get() % 3 == 2) {
                    System.out.println("C");
                    ai.getAndIncrement();
                }
            }

        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        Atomtic_ABC atomic_ABC = new Atomtic_ABC();
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);

        service.execute(atomic_ABC.new RunnableA());
        service.execute(atomic_ABC.new RunnableB());
        service.execute(atomic_ABC.new RunnableC());

        service.shutdown();
    }
}