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中等
多线程

1115. 交替打印 FooBar

English Version

题目描述

给你一个类：

class FooBar {
  public void foo() {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      print("foo");
    }
  }

  public void bar() {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      print("bar");
    }
  }
}

两个不同的线程将会共用一个 FooBar 实例：

  • 线程 A 将会调用 foo() 方法，而
  • 线程 B 将会调用 bar() 方法

请设计修改程序，以确保 "foobar" 被输出 n 次。

 

示例 1：

输入：n = 1
输出："foobar"
解释：这里有两个线程被异步启动。其中一个调用 foo() 方法, 另一个调用 bar() 方法，"foobar" 将被输出一次。

示例 2：

输入：n = 2
输出："foobarfoobar"
解释："foobar" 将被输出两次。

 

提示：

  • 1 <= n <= 1000

解法

方法一：多线程 + 信号量

我们用两个信号量 $f$ 和 $b$ 来控制两个线程的执行顺序，其中 $f$ 初始值为 $1$，而 $b$ 初始值为 $0$，表示线程 $A$ 先执行。

当线程 $A$ 执行时，首先会执行 $f$ 的 $acquire$ 操作，此时 $f$ 的值变为 $0$，线程 $A$ 获得了 $f$ 的使用权，可以执行 $foo$ 函数，然后执行 $b$ 的 $release$ 操作，此时 $b$ 的值变为 $1$，线程 $B$ 获得了 $b$ 的使用权，可以执行 $bar$ 函数。

当线程 $B$ 执行时，首先会执行 $b$ 的 $acquire$ 操作，此时 $b$ 的值变为 $0$，线程 $B$ 获得了 $b$ 的使用权，可以执行 $bar$ 函数，然后执行 $f$ 的 $release$ 操作，此时 $f$ 的值变为 $1$，线程 $A$ 获得了 $f$ 的使用权，可以执行 $foo$ 函数。

因此，我们只需要循环 $n$ 次，每次执行 $foo$ 和 $bar$ 函数时，先执行 $acquire$ 操作，再执行 $release$ 操作即可。

时间复杂度 $O(n)$，空间复杂度 $O(1)$。

Python3

from threading import Semaphore


class FooBar:
    def __init__(self, n):
        self.n = n
        self.f = Semaphore(1)
        self.b = Semaphore(0)

    def foo(self, printFoo: "Callable[[], None]") -> None:
        for _ in range(self.n):
            self.f.acquire()
            # printFoo() outputs "foo". Do not change or remove this line.
            printFoo()
            self.b.release()

    def bar(self, printBar: "Callable[[], None]") -> None:
        for _ in range(self.n):
            self.b.acquire()
            # printBar() outputs "bar". Do not change or remove this line.
            printBar()
            self.f.release()

Java

class FooBar {
    private int n;
    private Semaphore f = new Semaphore(1);
    private Semaphore b = new Semaphore(0);

    public FooBar(int n) {
        this.n = n;
    }

    public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            f.acquire(1);
            // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
            printFoo.run();
            b.release(1);
        }
    }

    public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            b.acquire(1);
            // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
            printBar.run();
            f.release(1);
        }
    }
}

C++

#include <semaphore.h>

class FooBar {
private:
    int n;
    sem_t f, b;

public:
    FooBar(int n) {
        this->n = n;
        sem_init(&f, 0, 1);
        sem_init(&b, 0, 0);
    }

    void foo(function<void()> printFoo) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            sem_wait(&f);
            // printFoo() outputs "foo". Do not change or remove this line.
            printFoo();
            sem_post(&b);
        }
    }

    void bar(function<void()> printBar) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            sem_wait(&b);
            // printBar() outputs "bar". Do not change or remove this line.
            printBar();
            sem_post(&f);
        }
    }
};