面试手撕并发算法题

固定打印顺序

使用 wait-notify 实现以下功能：先打印 b，再打印 a

思路一

线程t1和t2同时运行，t1中打印 a，t2中打印 b，但 t1 打印得有个前提，就是 t1要在t2运行完释放锁了才能打印 a。如果t1先得到锁，但t2没有执行，还是得释放锁，让t2得到锁先打印b，t2执行完，唤醒t1再打印a，实现固定顺序打印。

@Slf4j
public class OrderPrint {

    static Object obj = new Object();
    static boolean is2Run = false;	// t2 运行标记， 代表 t2 是否执行过

    public static void main(String[] args) {
        m1();
    }

    private static void m1() {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                // 如果 t2 没有执行过
                while (!is2Run) {
                    try {
                        // t1 先等一会，释放锁
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
            log.debug("a");
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            log.debug("b");
            synchronized (obj) {
                is2Run = true;      // syn 自带可见性
                obj.notifyAll();    // 通知 obj 上等待的线程
            }
        }, "t2");

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

思路二

思路一有以下几个问题需要注意：

1. 需要保证先 wait 再 notify，否则 wait 线程永远得不到唤醒。因此使用了『运行标记』来判断该不该 wait；
2. 如果有些干扰线程错误地 notify 了 wait 线程，条件不满足时还要重新等待，因此使用了 while 循环来解决此问题；

可以使用 LockSupport 类的 park 和 unpark 来简化上面的题目：

    private static void m2() {
        Thread t1 = new Thread(() -> {

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 线程暂停
            LockSupport.park();
            log.debug("a");
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            log.debug("b");
            // 唤醒线程
            LockSupport.unpark(t1);
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }

park 和 unpark 比较灵活，有以下特点：

• park 和 unpark 不需要先获取锁，这一点和Object中的wait-notify，Condition接口提供的await-signal都不同。
• 唤醒方法 unpark 在 等待方法 park 之前或之后运行，线程都能够被唤醒，这一点其他两种机制都不行，Object 和 Condition 中的唤醒必须在等待之后调用，线程才能被唤醒；

交替打印

准备三个线程t1、t2和t3，其中 t1 线程打印a，t2 线程打印 b，t3 线程打印 c，交替打印 ABCABC，打印100个字符。

思路：可以使用一个状态变量来表示打印abc，如 state=1 代表打印 a， state=2代表打印 b，state=3代表打印 c；使用synchronized 加锁。

@Slf4j
public class AlternatePrint {
    // 初始状态为1
    private static int state = 1;
    private static int loopNumber = 5;
    private static int count;

    private static Object obj = new Object();

    public static void print(int waitState, int nextState, String str) {
        while (true) {

            synchronized (obj) {
                // 当前获得锁的线程状态不是 state，等待释放锁
                while (state != waitState) {
                    try {
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                // 如果 count 达到了100，进入if的线程修改为下一状态，并唤醒另两个线程，本线程结束
                // 另两个线程争夺锁，最终都会执行结束（可以分析一波）
                if(count == 100) {
                    state = nextState;  // syn 保证可见性
                    obj.notifyAll();
                    break;
                }
                // 当前获得锁的线程状态就是 state，打印要打印的字符串
                log.debug(str);
                count++;

                // 打印完，轮到下一个线程打印了，把状态改成 nextState
                state = nextState;  // syn 保证可见性
                obj.notifyAll();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // t1线程，如果当前状态是1，就打印a，下一个线程的状态是2
        new Thread(() -> {
            print(1, 2, "a");
        }, "t1").start();
        // t2线程，如果当前状态是2，就打印b，下一个线程的状态是3
        new Thread(() -> {
            print(2, 3, "b");
        }, "t2").start();
        // t3线程，如果当前状态是3，就打印c，下一个线程的状态是1
        new Thread(() -> {
            print(3, 1, "c");
        }, "t3").start();
    }
}

交替打印变式

准备三个线程t1、t2和t3，其中 t1 线程打印a，t2 线程打印 b，t3 线程打印 c，交替打印 abcabc...

思路一：wait - notify

定义一个全局变量 state 来实现按顺序打印，使用wait - notify机制来处理条件不满足时等待释放锁，满足时打印并唤醒所有处于等待的线程；

@Slf4j
public class AlternatePrint {
    // 初始状态为1
    private static int state = 1;
    private static int loopNumber = 5;

    private static Object obj = new Object();

    public static void print(int waitState, int nextState, String str) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            synchronized (obj) {
                // 当前获得锁的线程状态不是 state，等待释放锁
                while(state != waitState) {
                    try {
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                // 当前获得锁的线程状态就是 state，打印要打印的字符串
                log.debug(str);
                // 打印完，轮到下一个线程打印了，把状态改成 nextState，确保下一次打印的线程的状态一定是 nextState
                state = nextState;  // syn 保证可见性
                obj.notifyAll();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // t1线程，如果当前状态是1，就打印a，下一个线程的状态是2
        new Thread(() -> {
            print(1, 2, "a");
        }, "t1").start();
        // t2线程，如果当前状态是2，就打印b，下一个线程的状态是3
        new Thread(() -> {
            print(2, 3, "b");
        }, "t2").start();
        // t3线程，如果当前状态是3，就打印c，下一个线程的状态是1
        new Thread(() -> {
            print(3, 1, "c");
        }, "t3").start();
    }
}

思路二：Lock条件变量

使用 ReentrantLock中的条件变量 Condition 实现等待唤醒机制，每次只会有一个线程在打印，而其他两个线程在各自的休息室等待（可以把创建出来的Condition 对象 理解成线程休息室）；

刚开始运行时，三个线程都会在各自的休息室等待，所以这个时候需要有一个发起者，就让主线程发起，唤醒a休息室中等待的线程 t1；

@Slf4j
public class AlternatePrint1 extends ReentrantLock {

    private int loopNumber;     // 循环次数

    public AlternatePrint1(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }

    /**
     * @param cur  进入哪一件休息室等待
     * @param next	cur休息室的线程打印完后，要唤醒下一个休息室中等待的线程
     * @param str	要打印的字符串
     */
    public void print(Condition cur, Condition next, String str) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            this.lock();
            try {
                cur.await();    // 每个线程获取锁进来，直接去各自的休息室等待
                log.debug(str);
                next.signal();  // 唤醒下一间休息室的线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                this.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建对象，设置打印次数为5
        AlternatePrint1 ap = new AlternatePrint1(5);
        // 为三个线程分别创建三个休息室
        Condition a = ap.newCondition();
        Condition b = ap.newCondition();
        Condition c = ap.newCondition();

        new Thread(() -> {
            ap.print(a, b, "a");
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            ap.print(b, c, "b");
        }, "t2").start();

        new Thread(() -> {
            ap.print(c, a, "c");
        }, "t3").start();

        // 以上三个线程都去各自的休息室等待去了，1s之后，主线程唤醒a休息室中的线程
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
        try {
            ap.lock();
            // 让主线程先唤醒在a休息室中等待的线程
            a.signal();
        } finally {
            ap.unlock();
        }
    }
}

TODO