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问题的描述
启动3个线程打印递增的数字, 线程1先打印1,2,3,4,5, 然后是线程2打印6,7,8,9,10, 然后是线程3打印11,12,13,14,15. 接着再由线程1打印16,17,18,19,20....以此类推, 直到打印到75. 程序的输出结果应该为:
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线程1: 1
线程1: 2
线程1: 3
线程1: 4
线程1: 5
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线程2: 6
线程2: 7
线程2: 8
线程2: 9
线程2: 10
...
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线程3: 71
线程3: 72
线程3: 73
线程3: 74
线程3: 75
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解法一: 采用原始的synchronized, wait(), notify(), notifyAll()等方式控制线程.
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public class NumberPrintDemo { // n为即将打印的数字 private static int n = 1; // state=1表示将由线程1打印数字, state=2表示将由线程2打印数字, state=3表示将由线程3打印数字 private static int state = 1; public static void main(String[] args) { final NumberPrintDemo pn = new NumberPrintDemo(); new Thread(new Runnable() { public void run() { // 3个线程打印75个数字, 单个线程每次打印5个连续数字, 因此每个线程只需执行5次打印任务. 3*5*5=75 for (int i = 0; i < 5; i++) { // 3个线程都使用pn对象做锁, 以保证每个交替期间只有一个线程在打印 synchronized (pn) { // 如果state!=1, 说明此时尚未轮到线程1打印, 线程1将调用pn的wait()方法, 直到下次被唤醒 while (state != 1) try { pn.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } // 当state=1时, 轮到线程1打印5次数字 for (int j = 0; j < 5; j++) { // 打印一次后n自增 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + n++); } System.out.println(); // 线程1打印完成后, 将state赋值为2, 表示接下来将轮到线程2打印 state = 2; // notifyAll()方法唤醒在pn上wait的线程2和线程3, 同时线程1将退出同步代码块, 释放pn锁. // 因此3个线程将再次竞争pn锁 // 假如线程1或线程3竞争到资源, 由于state不为1或3, 线程1或线程3将很快再次wait, 释放出刚到手的pn锁. // 只有线程2可以通过state判定, 所以线程2一定是执行下次打印任务的线程. // 对于线程2来说, 获得锁的道路也许是曲折的, 但前途一定是光明的. pn.notifyAll(); } } } }, "线程1").start(); new Thread(new Runnable() { public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { synchronized (pn) { while (state != 2) try { pn.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } for (int j = 0; j < 5; j++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + n++); } System.out.println(); state = 3; pn.notifyAll(); } } } }, "线程2").start(); new Thread(new Runnable() { public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { synchronized (pn) { while (state != 3) try { pn.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } for (int j = 0; j < 5; j++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + n++); } System.out.println(); state = 1; pn.notifyAll(); } } } }, "线程3").start(); } }
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解法二: 采用JDK1.5并发包提供的Lock, Condition等类的相关方法控制线程.
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public class NumberPrint implements Runnable { private int state = 1; private int n = 1; // 使用lock做锁 private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 获得lock锁的3个分支条件 private Condition c1 = lock.newCondition(); private Condition c2 = lock.newCondition(); private Condition c3 = lock.newCondition(); @Override public void run() { new Thread(new Runnable() { public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { try { // 线程1获得lock锁后, 其他线程将无法进入需要lock锁的代码块. // 在lock.lock()和lock.unlock()之间的代码相当于使用了synchronized(lock){} lock.lock(); while (state != 1) try { // 线程1竞争到了lock, 但是发现state不为1, 说明此时还未轮到线程1打印. // 因此线程1将在c1上wait // 与解法一不同的是, 三个线程并非在同一个对象上wait, 也不由同一个对象唤醒 c1.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } // 如果线程1竞争到了lock, 也通过了state判定, 将执行打印任务 for (int j = 0; j < 5; j++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + n++); } System.out.println(); // 打印完成后将state赋值为2, 表示下一次的打印任务将由线程2执行 state = 2; // 唤醒在c2分支上wait的线程2 c2.signal(); } finally { // 打印任务执行完成后需要确保锁被释放, 因此将释放锁的代码放在finally中 lock.unlock(); } } } }, "线程1").start(); new Thread(new Runnable() { public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { try { lock.lock(); while (state != 2) try { c2.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } for (int j = 0; j < 5; j++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + n++); } System.out.println(); state = 3; c3.signal(); } finally { lock.unlock(); } } } }, "线程2").start(); new Thread(new Runnable() { public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { try { lock.lock(); while (state != 3) try { c3.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } for (int j = 0; j < 5; j++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + n++); } System.out.println(); state = 1; c1.signal(); } finally { lock.unlock(); } } } }, "线程3").start(); } public static void main(String[] args) { new NumberPrint().run(); } }
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总结: 对比解法一和解法二, 显然解法二是更好的解决方案. 解法一的问题在于无法进行精确唤醒, 比如线程1执行完打印任务并调用pn.notifyAll()方法后, 3个线程将再次竞争锁, 而不是精确唤醒线程2. 虽然线程2最终将赢得锁, 下一次的打印任务也肯定会由线程2执行, 但是竞争的持续时间是不可预知的, 只能看线程2的人品.
最糟糕的情形可以是: 线程3竞争到了锁, 紧接着wait. 接下来线程1也竞争到了锁, 然后线程1也wait. 此时就再也没有其他线程跟线程2竞争了, 线程2终于艰难的赢得了锁...
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留下3个问题供有兴趣的朋友思考:
1. 解法一和解法二中的while (state != xx)是否可以换成if(state != xx), 为什么?
2. 解法一的中的pn.notifyAll()是否可以换成pn.notify(), 为什么?
3. 是否可以用wait(), notify(), notifyAll()等方法完成类似解法二的精确唤醒, 请给出方案或代码.--这个问题我思考了很久, 却没有头绪. 关键的困难在于必须调用pn的wait()方法和notifyAll()方法, 而不能是其他对象的wait()和notifyAll()方法. 如果你有思路, 还望在博客中留言, 不甚感激!
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