力扣#1116. 打印零与奇偶数-[C++] 信号量解决多线程顺序输出问题 (28ms, 6.7MB)

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Valishment/article/details/120675275

该博客介绍了如何使用C++的信号量解决LeetCode#1116问题，即在三个线程中按0、奇数、偶数顺序输出序列。通过创建ZeroEvenOdd类，并分别实现zero()、even()、odd()方法，利用信号量实现线程间的同步和顺序控制，确保正确输出010203...序列。

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原题

假设有这么一个类：

class ZeroEvenOdd {
public ZeroEvenOdd(int n) { … } // 构造函数
public void zero(printNumber) { … } // 仅打印出 0
public void even(printNumber) { … } // 仅打印出偶数
public void odd(printNumber) { … } // 仅打印出奇数
}
相同的一个 ZeroEvenOdd 类实例将会传递给三个不同的线程：

线程 A 将调用 zero()，它只输出 0 。
线程 B 将调用 even()，它只输出偶数。
线程 C 将调用 odd()，它只输出奇数。
每个线程都有一个 printNumber 方法来输出一个整数。请修改给出的代码以输出整数序列 010203040506… ，其中序列的长度必须为 2n。

题意解析

其实和前面两个题目一样, 也是顺序问题.
题目给定三个线程异步调用同一个对象的三个方法, 要求在输出 1 ~ n 的奇偶数前, 先输出 0。
对于每个输出, 我们先执行 zero() 方法, 后续执行的方法, 根据要输出的数的奇偶性而定

目标分析

给定一个数 n
我们假设一个数 x, 初始值设为 1, 从 0 开始, 逐次递增至 n

我们要确保先执行 zero() 输出 0 (zero() 方法没执行前, even() 和 odd() 方法必须阻塞, 而 zero()必须先执行)
执行完 zero() 的输出部分后, 对 x 自增, 然后需要根据 x 的奇偶性, 唤醒相关阻塞线程
我们需要确保 zero() 循环执行 n 次
zero() 输出0后, 需要等待输出 x完成后才能继续执行(也就是 zero()也要进入阻塞)

这里我们可以使用信号量进行控制, C++中可以使用信号量 sem_t 进行实现, sem_t 的具体使用方法可以参照
百度百科
这里给出简略的解释:
sem_wait(sem_t * s) : 将信号量值 - 1, 如果信号量 < 0, 则进入阻塞状态; 否则, 继续执行
sem_post(sem_t * s) : 将信号量值 + 1, 如果有与此信号量相关的线程处于阻塞, 则唤醒其中之一

实现思路

给这三个方法都使用信号量控制, 使得zero()可以先执行, 然后控制其他两个方法的信号量, 来控制他们是阻塞还是执行, 同时 odd() 和 even() 方法执行完成时, 要唤醒 zero()

其他细节

如果 n 是偶数, 那么 odd() 应当执行 (n / 2) 次, even() 也应当执行 (n / 2)次
如果 n 是奇数, 那么 odd() 应当执行 (n / 2 + 1) 次, even() 应当执行 (n / 2) 次

代码实现

#include "semaphore.h"
#include "math.h"

class ZeroEvenOdd {
private:
    int n;
    int count;
    sem_t zeroSem;
    sem_t evenSem;
    sem_t oddSem;

public:
    ZeroEvenOdd(int n) {
        this->n = n;
        this->count = 0;
        // 初始化三个信号量
        // zeroSem 的初始值设为 1, 这样 zeroSem 可以先执行, 且执行完后, 需要等待 sem_post(&zeroSem)才能继续执行;
        // evenSem/oddSem 初始值设为 0, 这样在 zero() 线程调用 sem_post() 前, 都会进入阻塞状态
        sem_init(&zeroSem, 0, 1);
        sem_init(&evenSem, 0, 0);
        sem_init(&oddSem, 0, 0);
    }

    // printNumber(x) outputs "x", where x is an integer.
    void zero(function<void(int)> printNumber) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            sem_wait(&zeroSem);
            printNumber(0);
            ++count;
            if (count % 2 != 0) {
                sem_post(&oddSem);
            } else {
                sem_post(&evenSem);
            }
        }
        
    }

    void even(function<void(int)> printNumber) {
        for (int i = 0; i < (n/2); i++) {
            sem_wait(&evenSem);
            printNumber(count);
            sem_post(&zeroSem);
        }
        
    }

    void odd(function<void(int)> printNumber) {
        // 奇数执行次数, 使用向上取整
        for (int i = 0; i < (int) ceil(n / 2.0); i++) {
            sem_wait(&oddSem);
            printNumber(count);
            sem_post(&zeroSem);
        }
        
    }
};