算法笔记-lc-1114. 按序打印(多线程简单题)

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原创最新推荐文章于 2026-11-08 21:05:35 发布 1.7k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

【力扣分模块练习】并发/线程安全 1114. 按序打印我们提供了一个类： public class Foo { public void first() { print(“first”); } public void second() { print(“second”); } public void third() { print(“third”); } } 三个不同的线程 A、B、C 将会共用一个 Foo 实例。一个将会调用 first() 方法一个将会调用 second() 方法还有一个将会调用 third() 方法请设计修改程阅读详情

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题目

题干

给你一个类：

public class Foo {
public void first() { print(“first”); }
public void second() { print(“second”); }
public void third() { print(“third”); }
}
三个不同的线程 A、B、C 将会共用一个 Foo 实例。

线程 A 将会调用 first() 方法
线程 B 将会调用 second() 方法
线程 C 将会调用 third() 方法
请设计修改程序，以确保 second() 方法在 first() 方法之后被执行，third() 方法在 second() 方法之后被执行。

提示：

尽管输入中的数字似乎暗示了顺序，但是我们并不保证线程在操作系统中的调度顺序。
你看到的输入格式主要是为了确保测试的全面性。

示例

示例 1：

输入：nums = [1,2,3]
输出：“firstsecondthird”
解释：
有三个线程会被异步启动。输入 [1,2,3] 表示线程 A 将会调用 first() 方法，线程 B 将会调用 second() 方法，线程 C 将会调用 third() 方法。正确的输出是 “firstsecondthird”。
示例 2：

输入：nums = [1,3,2]
输出：“firstsecondthird”
解释：
输入 [1,3,2] 表示线程 A 将会调用 first() 方法，线程 B 将会调用 third() 方法，线程 C 将会调用 second() 方法。正确的输出是 “firstsecondthird”。

提示：
nums 是 [1, 2, 3] 的一组排列

题解

并发问题

并发问题来自并发计算的场景，该场景下，程序在多线程（或多进程）中同时执行。

同时进行并不是完全指进程或线程在不同的物理 CPU 上独立运行，更多情况下，是在一个物理 CPU 上交替执行多个线程或进程。并发既可在线程中，也可在进程中。

并发主要为多任务情况设计。但如果应用不当，可能会引发一些漏洞。按照情况不同，可以分为三种：

竞态条件：由于多进程之间的竞争执行，导致程序未按照期望的顺序输出。

死锁：并发程序等待一些必要资源，导致没有程序可以执行。

资源不足：进程被永久剥夺了运行所需的资源。

此题中存在竞态条件。下面展示一个竞态条件的例子。

假设有一个方法 withdraw(amount)，如果请求量小于当前余额，则从当前余额中减去请求量，然后返回余额。方法定义如下：

int balance = 500;
int withdraw(int amount) {
  if (amount < balance) {
    balance -= amount;
  }
  return balance;
}

我们期望该方法执行后余额永远不会为负。

但是有可能出现竞态条件，使得余额变为负数。假设两个线程同时使用不同的参数执行该方法。例如：线程 1 执行 withdraw(amount=400)，线程 2 执行 withdraw(amount=200)。这两个线程的执行顺序如下图所示。在每个时刻只执行一条语句。

在这里插入图片描述

上述流程执行结束后，余额变成负数，这并不是期望的输出。

无竞争并发

并发问题有一个共同特征：多个线程/进程之间共享一些资源（例如：余额）。由于无法消除资源共享的约束，防止并发问题就变成了资源共享的协调问题。

根据这个思路，如果可以确保程序中关键部分代码的独占性（例如：检查和减少余额），就可以防止程序进入不一致的状态。

竞争条件的解决方案为：需要某些关键部分代码具有排他性，即在给定的时间内，只有一个线程可以进入关键部分代码。

可以将这种机制看做限制关键部分代码访问的锁。在前面示例的关键部分代码加锁，即检查余额和减少余额的语句。然后重新运行两个线程，会有下图的执行顺序：

在这里插入图片描述

在该机制下，一旦一个线程进入关键部分，它就可以阻止其他线程进入该关键部分。例如，在时间点 3，线程 2 进入关键部分，那么在时间点 4，如果没有锁保护，线程 1 就可能进入关键部分。最后两个线程同时运行，保证系统的一致性，并确保余额正确。

如果该线程未被授权进入关键代码，可以认为该线程被阻塞或进入睡眠状态。例如，线程 1 在时间点 4 被阻塞，之后关键部分被释放，可以通知其他等待线程。线程 2 在时间点 5 释放了关键部分，就可以通知线程 1 进入。

这种机制还具有唤醒其他等待线程的功能。

总之，为了防止出现并发竞争状态，需要一种具有两种功能的机制：1）关键部分的访问控制；2）通知阻塞线程。

方法一：使用 synchronization

思路

题目要求按顺序依次执行三个方法，且每个方法都在单独的线程中运行。为了保证线程的执行顺序，可以在方法之间创建一些依赖关系，即第二个方法必须在第一个方法之后执行，第三个方法必须在第二个方法之后执行。

方法对之间的依赖关系形成了所有方法的特定的执行顺序。例如 A < B, B < C，则所有方法的执行顺序为 A < B < C。

依赖关系可以通过并发机制实现。使用一个共享变量 firstJobDone 协调第一个方法与第二个方法的执行顺序，使用另一个共享变量 secondJobDone 协调第二个方法与第三个方法的执行顺序。

算法

首先初始化共享变量 firstJobDone 和 secondJobDone，初始值表示所有方法未执行。

方法 first() 没有依赖关系，可以直接执行。在方法最后更新变量 firstJobDone 表示该方法执行完成。

方法 second() 中，检查 firstJobDone 的状态。如果未更新则进入等待状态，否则执行方法 second()。在方法末尾，更新变量 secondJobDone 表示方法 second() 执行完成。

方法 third() 中，检查 secondJobDone 的状态。与方法 second() 类似，执行 third() 之前，需要先等待 secondJobDone 的状态。

实现

上述算法的实现在很大程度上取决于选择的编程语言。尽管在 Java，C++ 和 Python 中都存在互斥与信号量，但不同语言对并发机制有不同实现。

class Foo {

  private AtomicInteger firstJobDone = new AtomicInteger(0);
  private AtomicInteger secondJobDone = new AtomicInteger(0);

  public Foo() {}

  public void first(Runnable printFirst) throws InterruptedException {
    // printFirst.run() outputs "first".
    printFirst.run();
    // mark the first job as done, by increasing its count.
    firstJobDone.incrementAndGet();
  }

  public void second(Runnable printSecond) throws InterruptedException {
    while (firstJobDone.get() != 1) {
      // waiting for the first job to be done.
    }
    // printSecond.run() outputs "second".
    printSecond.run();
    // mark the second as done, by increasing its count.
    secondJobDone.incrementAndGet();
  }

  public void third(Runnable printThird) throws InterruptedException {
    while (secondJobDone.get() != 1) {
      // waiting for the second job to be done.
    }
    // printThird.run() outputs "third".
    printThird.run();
  }
}

方法二：信号量机制

private Semaphore two = new Semaphore(0);
    private Semaphore three = new Semaphore(0);

    public Foo() {

    }

    public void first(Runnable printFirst) throws InterruptedException {

        // printFirst.run() outputs "first". Do not change or remove this line.
        printFirst.run();
        two.release();
    }

    public void second(Runnable printSecond) throws InterruptedException {
        two.acquire();
        // printSecond.run() outputs "second". Do not change or remove this line.
        printSecond.run();
        three.release();
    }

    public void third(Runnable printThird) throws InterruptedException {
        three.acquire();
        // printThird.run() outputs "third". Do not change or remove this line.
        printThird.run();
    }

方法三：wait()+notifyAll()

class Foo {
    
    private boolean firstFinished;
    private boolean secondFinished;
    private Object lock = new Object();

    public Foo() {
        
    }

    public void first(Runnable printFirst) throws InterruptedException {
        
        synchronized (lock) {
            // printFirst.run() outputs "first". Do not change or remove this line.
            printFirst.run();
            firstFinished = true;
            lock.notifyAll(); 
        }
    }

    public void second(Runnable printSecond) throws InterruptedException {
        
        synchronized (lock) {
            while (!firstFinished) {
                lock.wait();
            }
        
            // printSecond.run() outputs "second". Do not change or remove this line.
            printSecond.run();
            secondFinished = true;
            lock.notifyAll();
        }
    }

    public void third(Runnable printThird) throws InterruptedException {
        
        synchronized (lock) {
           while (!secondFinished) {
                lock.wait();
            }

            // printThird.run() outputs "third". Do not change or remove this line.
            printThird.run();
        } 
    }
}

方法四：sleep(0)

class Foo {
    int flag=1;
    public Foo() {

    }

    public void first(Runnable printFirst) throws InterruptedException {
        // printFirst.run() outputs "first". Do not change or remove this line.
        printFirst.run();
        flag=2;
    }

    public void second(Runnable printSecond) throws InterruptedException {
        while(true){
            if(flag>=2){
                break;
            }
            else{
                Thread.sleep(0);
            }
        }
        // printSecond.run() outputs "second". Do not change or remove this line.
        printSecond.run();
        flag=3;
    }

    public void third(Runnable printThird) throws InterruptedException {
         while(true){
            if(flag>=3){
                break;
            }
            else{
                Thread.sleep(0);
            }
        }
        // printSecond.run() outputs "second". Do not change or remove this line.
        printThird.run();
    }
}