阿里最喜欢问的多线程顺序打印的5种解法！

Keeper导读

大家在换工作面试中，除了一些常规算法题，还会遇到各种需要手写的题目，所以打算总结出来，给大家个参考。

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第一篇打算总结下阿里最喜欢问的多个线程顺序打印问题，我遇到的是机试，直接写出运行。同类型的题目有很多，比如：

三个线程分别打印 A，B，C，要求这三个线程一起运行，打印 n 次，输出形如“ABCABCABC....”的字符串
两个线程交替打印 0~100 的奇偶数
通过 N 个线程顺序循环打印从 0 至 100
多线程按顺序调用，A->B->C，AA 打印 5 次，BB 打印10 次，CC 打印 15 次，重复 10 次
用两个线程，一个输出字母，一个输出数字，交替输出 1A2B3C4D...26Z

其实这类题目考察的都是线程间的通信问题，基于这类题目，做一个整理，方便日后手撕面试官，文明的打工人，手撕面试题。

1.使用 Lock

我们以第一题为例：三个线程分别打印 A，B，C，要求这三个线程一起运行，打印 n 次，输出形如“ABCABCABC....”的字符串。

思路：使用一个取模的判断逻辑 C%M ==N，题为 3 个线程，所以可以按取模结果编号：0、1、2，他们与 3 取模结果仍为本身，则执行打印逻辑。

public class PrintABCUsingLock {private int times; // 控制打印次数private int state;   // 当前状态值：保证三个线程之间交替打印private Lock lock = new ReentrantLock();public PrintABCUsingLock(int times) {this.times = times;}private void printLetter(String name, int targetNum) {for (int i = 0; i < times; ) {lock.lock();if (state % 3 == targetNum) {state++;i++;System.out.print(name);}lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {PrintABCUsingLock loopThread = new PrintABCUsingLock(1);new Thread(() -> {loopThread.printLetter("B", 1);}, "B").start();new Thread(() -> {loopThread.printLetter("A", 0);}, "A").start();new Thread(() -> {loopThread.printLetter("C", 2);}, "C").start();}
}

main 方法启动后，3 个线程会抢锁，但是 state 的初始值为 0，所以第一次执行 if 语句的内容只能是线程 A，然后还在 for 循环之内，此时 state = 1，只有线程 B 才满足 1% 3 == 1，所以第二个执行的是 B，同理只有线程 C 才满足 2% 3 == 2，所以第三个执行的是 C，执行完 ABC 之后，才去执行第二次 for 循环，所以要把 i++ 写在 for 循环里边，不能写成 for (int i = 0; i < times;i++) 这样。

2.使用 wait/notify

其实遇到这类型题目，好多同学可能会先想到的就是 join()，或者 wati/notify 这样的思路。算是比较传统且万能的解决方案。也有些面试官会要求不能使用这种方式。

思路：还是以第一题为例，我们用对象监视器来实现，通过 wait 和 notify() 方法来实现等待、通知的逻辑，A 执行后，唤醒 B，B 执行后唤醒 C，C 执行后再唤醒 A，这样循环的等待、唤醒来达到目的。

public class PrintABCUsingWaitNotify {private int state;private int times;private static final Object LOCK = new Object();public PrintABCUsingWaitNotify(int times) {this.times = times;}public static void main(String[] args) {PrintABCUsingWaitNotify printABC = new PrintABCUsingWaitNotify(10);new Thread(() -> {printABC.printLetter("A", 0);}, "A").start();new Thread(() -> {printABC.printLetter("B", 1);}, "B").start();new Thread(() -> {printABC.printLetter("C", 2);}, "C").start();}private void printLetter(String name, int targetState) {for (int i = 0; i < times; i++) {synchronized (LOCK) {while (state % 3 != targetState) {try {LOCK.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}state++;System.out.print(name);LOCK.notifyAll();}}}
}

同样的思路，来解决下第 2 题：两个线程交替打印奇数和偶数

使用对象监视器实现，两个线程 A、B 竞争同一把锁，只要其中一个线程获取锁成功，就打印 ++i，并通知另一线程从等待集合中释放，然后自身线程加入等待集合并释放锁即可。

图：throwable-blog

public class OddEvenPrinter {private Object monitor = new Object();private final int limit;private volatile int count;OddEvenPrinter(int initCount, int times) {this.count = initCount;this.limit = times;}public static void main(String[] args) {OddEvenPrinter printer = new OddEvenPrinter(0, 10);new Thread(printer::print, "odd").start();new Thread(printer::print, "even").start();}private void print() {synchronized (monitor) {while (count < limit) {try {System.out.println(String.format("线程[%s]打印数字:%d", Thread.currentThread().getName(), ++count));monitor.notifyAll();monitor.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}//防止有子线程被阻塞未被唤醒，导致主线程不退出monitor.notifyAll();}}
}

同样的思路，来解决下第 5 题：用两个线程，一个输出字母，一个输出数字，交替输出 1A2B3C4D...26Z

public class NumAndLetterPrinter {private static char c = 'A';private static int i = 0;static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {new Thread(() -> printer(), "numThread").start();new Thread(() -> printer(), "letterThread").start();}private static void printer() {synchronized (lock) {for (int i = 0; i < 26; i++) {if (Thread.currentThread().getName() == "numThread") {//打印数字1-26System.out.print((i + 1));// 唤醒其他在等待的线程lock.notifyAll();try {// 让当前线程释放锁资源，进入wait状态lock.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} else if (Thread.currentThread().getName() == "letterThread") {// 打印字母A-ZSystem.out.print((char) ('A' + i));// 唤醒其他在等待的线程lock.notifyAll();try {// 让当前线程释放锁资源，进入wait状态lock.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}lock.notifyAll();}}
}

3.使用 Lock/Condition

还是以第一题为例，使用 Condition 来实现，其实和 wait/notify 的思路一样。

Condition 中的 await() 方法相当于 Object 的 wait() 方法，Condition 中的 signal() 方法相当于Object 的 notify() 方法，Condition 中的 signalAll() 相当于 Object 的 notifyAll() 方法。
不同的是，Object 中的 wait(),notify(),notifyAll()方法是和"同步锁"(synchronized关键字)捆绑使用的；而 Condition 是需要与"互斥锁"/"共享锁"捆绑使用的。

public class PrintABCUsingLockCondition {private int times;private int state;private static Lock lock = new ReentrantLock();private static Condition c1 = lock.newCondition();private static Condition c2 = lock.newCondition();private static Condition c3 = lock.newCondition();public PrintABCUsingLockCondition(int times) {this.times = times;}public static void main(String[] args) {PrintABCUsingLockCondition print = new PrintABCUsingLockCondition(10);new Thread(() -> {print.printLetter("A", 0, c1, c2);}, "A").start();new Thread(() -> {print.printLetter("B", 1, c2, c3);}, "B").start();new Thread(() -> {print.printLetter("C", 2, c3, c1);}, "C").start();}private void printLetter(String name, int targetState, Condition current, Condition next) {for (int i = 0; i < times; ) {lock.lock();try {while (state % 3 != targetState) {current.await();}state++;i++;System.out.print(name);next.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}
}

使用 Lock 锁的多个 Condition 可以实现精准唤醒，所以碰到那种多个线程交替打印不同次数的题就比较容易想到，比如解决第四题：多线程按顺序调用，A->B->C，AA 打印 5 次，BB 打印10 次，CC 打印 15 次，重复 10 次

代码就不贴了，思路相同。

以上几种方式，其实都会存在一个锁的抢夺过程，如果抢锁的的线程数量足够大，就会出现很多线程抢到了锁但不该自己执行，然后就又解锁或 wait() 这种操作，这样其实是有些浪费资源的。

4.使用 Semaphore

在信号量上我们定义两种操作：信号量主要用于两个目的，一个是用于多个共享资源的互斥使用，另一个用于并发线程数的控制。
acquire（获取）当一个线程调用 acquire 操作时，它要么通过成功获取信号量（信号量减1），要么一直等下去，直到有线程释放信号量，或超时。
release（释放）实际上会将信号量的值加1，然后唤醒等待的线程。

先看下如何解决第一题：三个线程循环打印 A，B，C

public class PrintABCUsingSemaphore {private int times;private static Semaphore semaphoreA = new Semaphore(1); // 只有A 初始信号量为1,第一次获取到的只能是Aprivate static Semaphore semaphoreB = new Semaphore(0);private static Semaphore semaphoreC = new Semaphore(0);public PrintABCUsingSemaphore(int times) {this.times = times;}public static void main(String[] args) {PrintABCUsingSemaphore printer = new PrintABCUsingSemaphore(1);new Thread(() -> {printer.print("A", semaphoreA, semaphoreB);}, "A").start();new Thread(() -> {printer.print("B", semaphoreB, semaphoreC);}, "B").start();new Thread(() -> {printer.print("C", semaphoreC, semaphoreA);}, "C").start();}private void print(String name, Semaphore current, Semaphore next) {for (int i = 0; i < times; i++) {try {System.out.println("111" + Thread.currentThread().getName());current.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(name);next.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System.out.println("222" + Thread.currentThread().getName());} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

如果题目中是多个线程循环打印的话，一般使用信号量解决是效率较高的方案，上一个线程持有下一个线程的信号量，通过一个信号量数组将全部关联起来，这种方式不会存在浪费资源的情况。

接着用信号量的方式解决下第三题：通过 N 个线程顺序循环打印从 0 至 100

public class LoopPrinter {private final static int THREAD_COUNT = 3;static int result = 0;static int maxNum = 10;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {final Semaphore[] semaphores = new Semaphore[THREAD_COUNT];for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {//非公平信号量，每个信号量初始计数都为1semaphores[i] = new Semaphore(1);if (i != THREAD_COUNT - 1) {System.out.println(i+"==="+semaphores[i].getQueueLength());//获取一个许可前线程将一直阻塞, for 循环之后只有 syncObjects[2] 没有被阻塞semaphores[i].acquire();}}for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {// 初次执行，上一个信号量是 syncObjects[2]final Semaphore lastSemphore = i == 0 ? semaphores[THREAD_COUNT - 1] : semaphores[i - 1];final Semaphore currentSemphore = semaphores[i];final int index = i;new Thread(() -> {try {while (true) {// 初次执行，让第一个 for 循环没有阻塞的 syncObjects[2] 先获得令牌阻塞了lastSemphore.acquire();System.out.println("thread" + index + ": " + result++);if (result > maxNum) {System.exit(0);}// 释放当前的信号量，syncObjects[0] 信号量此时为 1，下次 for 循环中上一个信号量即为syncObjects[0]currentSemphore.release();}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}

5.使用 LockSupport

LockSupport 是 JDK 底层的基于 sun.misc.Unsafe 来实现的类，用来创建锁和其他同步工具类的基本线程阻塞原语。它的静态方法unpark()和park()可以分别实现阻塞当前线程和唤醒指定线程的效果，所以用它解决这样的问题会更容易一些。

（在 AQS 中，就是通过调用 LockSupport.park( )和 LockSupport.unpark() 来实现线程的阻塞和唤醒的。）

public class PrintABCUsingLockSupport {private static Thread threadA, threadB, threadC;public static void main(String[] args) {threadA = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {// 打印当前线程名称System.out.print(Thread.currentThread().getName());// 唤醒下一个线程LockSupport.unpark(threadB);// 当前线程阻塞LockSupport.park();}}, "A");threadB = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {// 先阻塞等待被唤醒LockSupport.park();System.out.print(Thread.currentThread().getName());// 唤醒下一个线程LockSupport.unpark(threadC);}}, "B");threadC = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {// 先阻塞等待被唤醒LockSupport.park();System.out.print(Thread.currentThread().getName());// 唤醒下一个线程LockSupport.unpark(threadA);}}, "C");threadA.start();threadB.start();threadC.start();}
}

理解了思路，解决其他问题就容易太多了。

比如，我们再解决下第五题：用两个线程，一个输出字母，一个输出数字，交替输出 1A2B3C4D...26Z

public class NumAndLetterPrinter {private static Thread numThread, letterThread;public static void main(String[] args) {letterThread = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 26; i++) {System.out.print((char) ('A' + i));LockSupport.unpark(numThread);LockSupport.park();}}, "letterThread");numThread = new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 26; i++) {System.out.print(i);LockSupport.park();LockSupport.unpark(letterThread);}}, "numThread");numThread.start();letterThread.start();}
}