分享一道自己常用的多线程面试题.

问题背景

使用两个线程打印1到10的数字, 要求按照顺序交替打印(一个线程打印奇数, 一个打印偶数)

pingpong

多线程问题是java中比较难掌握的内容, 尤其是线程同步互斥问题, 概念细节非常多. 不过这道题目简单可操作, 有很多很多解决方法, 所以我经常会问候选人, 不过有很多同学设计不出来, 或者有各种问题. 我这里用了几种方法实现了一下. (图侵删)

解决方法

(完整源码在这里或这里 )

虽然写了很多个类, 0是展示错误, 3和4是一样的, 所以大约提出了六七个方法吧. (代码为了展示现象打印到了100)

0 这个类先展示了两个bug的现象和原因
1 synchronized + 空转(或yield, 最差是sleep)
2 synchronized + wait/notify
3 volatile + yield (其实用不用volatile没啥区别, 在本例中不解决啥问题)
4 原子变量 + yield (其实用不用原子变量没啥区别, 在本例中不解决啥问题) 3,4是类似的, 有没有bug还待评估;
5 Lock + condition 和synchronized+wait方案很像了
6 Semaphore 大小为1的信号量, 和锁也是很像了
- 6a. 用两个大小为1的Semaphore信号量
7 SynchronousQueue 传球Handoffs/交接棒的感觉. (换成两个阻塞队列也同理)

下面挑几个代码截图看一下.

0 展示问题

会出现1324这样的顺序, 加volatile加yield也不能解决.

原因在于”get, 自增, 打印”这3步操作不原子, 线程1 get到3, 加到4, 打印3

第二步和第三步之间, 线程2可以插进来执行自己的3步, 提前打印了4
有时会打印到100, 有时会到101. 加yield确实不出现这个问题, 但不可靠.

出现101是因为线程2上一轮打印99增到100, 下一循环判断<=MAX时, 仍用的100判断, 这是线程1已经给加到101了, 线程2就能进入if把101打印了

这个问题不是因为可见性, 所以用volatile也不行. 在if里加上 && count <= MAX可以解决

2 synchronized + wait/notify

这是我觉得最标准的写法, 用了锁没有bug, 用wait/notify通知, 没有空转.

3 没有锁?

这个方法还不确定有没有bug, 直接用jmh run了好几分钟不出错不代表没有bug.

5 Lock + condition

6 Semaphore

计数的互斥信号量, 和锁类似.

有趣的是6a那个类里设计了用两个信号量的方法.

7 SynchronousQueue 同步队列

比较有趣的设计, 互相传球. 最后一轮怎么终止是难点, 就像头图的乒乓球一样.

用其他的BlockingQueue也可以, 或者类似6a这种用两个对象的思路.

性能/总结

用jmh跑了几次benchmark, 结果如下:

PrintToTen1   avgt   10  2.994 ± 1.799  ms/op
PrintToTen6   avgt   10  2.869 ± 1.021  ms/op
PrintToTen6a  avgt   10  2.836 ± 1.176  ms/op
PrintToTen7   avgt   10  2.726 ± 1.111  ms/op
PrintToTen2   avgt   10  2.412 ± 0.847  ms/op
PrintToTen5   avgt   10  2.447 ± 0.988  ms/op
PrintToTen3   avgt   10  1.847 ± 0.523  ms/op
PrintToTen4   avgt   10  1.837 ± 0.495  ms/op

可以看出, 无锁的方案3,4是最快的, 其次condition和wait方案也不错. 有锁又空转的最差.

解决这个问题时可能出的bug:

共享的counter变量如何传递给两个线程

我这里的代码用的是匿名类, 所以可以直接访问到外层类的成员变量, 直接用的基本类型int也不会有问题, 两个线程都读的是同一个变量; 如果不是这种匿名类, 而是单独的类, 那么如何让两个类使用同一个counter就是一个问题

(一个方案是用AtomInteger这种包装类作为两个线程的构造参数).
出现1324这种顺序;
出现打印超过设置的最大值(10)
空转. 这不是bug, 但是性能会差. 如果不用一些阻塞和通知机制, 必然会空转.
两个线程同时count++导致计数器错了的问题. 首先在本题中我的那些写法即使不加锁也不会两线程同时++, 其次同时++也不会有啥问题.

一些结论:

锁是最保险的, 原子性可见性什么的都有保障
远离volatile
yield只是一个hint, 也就可能对性能有些好处, 对线程间同步问题什么用没有
原子性, 可见性, 再加线程间通信的方式, 基本是多线程问题的难点
JUC包里是有些奇特的玩意

一个多线程面试题