LeetCode-1117. H2O 生成（多線程）

LeetCode 題目描述

現在有兩種線程，氫 oxygen 和氧 hydrogen，你的目標是組織這兩種線程來產生水分子。

存在一個屏障（barrier）使得每個線程必須等候直到一個完整水分子能夠被產生出來。

氫和氧線程會被分別給予 releaseHydrogen 和 releaseOxygen 方法來允許它們突破屏障。

這些線程應該三三成組突破屏障並能立即組合產生一個水分子。

你必須保證產生一個水分子所需線程的結合必須發生在下一個水分子產生之前。

換句話說:

• 如果一個氧線程到達屏障時沒有氫線程到達，它必須等候直到兩個氫線程到達。
• 如果一個氫線程到達屏障時沒有其它線程到達，它必須等候直到一個氧線程和另一個氫線程到達。

書寫滿足這些限制條件的氫、氧線程同步代碼。

示例 1:

輸入: "HOH"
輸出: "HHO"
解釋: "HOH" 和 "OHH" 依然都是有效解。

示例 2:

輸入: "OOHHHH"
輸出: "HHOHHO"
解釋: "HOHHHO", "OHHHHO", "HHOHOH", "HOHHOH", "OHHHOH", "HHOOHH", "HOHOHH" 和 "OHHOHH" 依然都是有效解。

限制條件:

• 輸入字符串的總長將會是 3n, 1 ≤ n ≤ 50；
• 輸入字符串中的 “H” 總數將會是 2n；
• 輸入字符串中的 “O” 總數將會是 n。

來源：力扣（LeetCode）
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題解

整體思考思路爲：

• 2 個線程併發執行
• 2 個線程可執行的數量不同（限制線程數量）
• 2 個線程等待狀態互相制約（當前執行的線程需要生成一個水分子後後放行下一組線程）

1.Semaphore + CyclicBarrier

思路：使用信號量控制 2 個線程的訪問數量，使用 CyclicBarrier 控制三三成組的執行。

考慮：CyclicBarrier 比較重量級。

class H2O {

    // 信號量 保證 H2/0 線程執行等待狀態，即每次只有 2 個 H 線程、1 個 O 線程可執行
    private final Semaphore h2 = new Semaphore(2, false);
    private final Semaphore o = new Semaphore(1, false);

    // 屏障 ，保證線程三三成組執行
    private final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);

    public H2O() {
    }

    public void hydrogen(Runnable releaseHydrogen) throws InterruptedException {
        h2.acquire();
        try {
            barrier.await();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            throw new InterruptedException(e.getMessage());
        }
        // releaseHydrogen.run() outputs "H". Do not change or remove this line.
        releaseHydrogen.run();
        h2.release();
    }

    public void oxygen(Runnable releaseOxygen) throws InterruptedException {
        o.acquire();
        try {
            barrier.await();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            throw new InterruptedException(e.getMessage());
        }
        // releaseOxygen.run() outputs "O". Do not change or remove this line.
        releaseOxygen.run();
        o.release();
    }
}

2. Semaphore + AtomicInteger

思路：使用信號量控制 2 個線程的訪問數量，使用 AtomicInteger（CAS） 控制三三成組的執行。

class H2O {

    // 信號量 保證 H2/0 線程執行等待狀態，即每次只有 2 個 H 線程、1 個 O 線程可執行
    private final Semaphore h2 = new Semaphore(2, false);
    private final Semaphore o = new Semaphore(1, false);

    // 屏障 ，保證線程三三成組執行
    private final AtomicInteger barrier = new AtomicInteger();

    public H2O() {
    }

    public void hydrogen(Runnable releaseHydrogen) throws InterruptedException {
        h2.acquire();
        // releaseHydrogen.run() outputs "H". Do not change or remove this line.
        releaseHydrogen.run();
        barrier.getAndIncrement();
        resetBarrier();
    }

    public void oxygen(Runnable releaseOxygen) throws InterruptedException {
        o.acquire();
        // releaseOxygen.run() outputs "O". Do not change or remove this line.
        releaseOxygen.run();
        barrier.getAndIncrement();
        resetBarrier();
    }

    private void resetBarrier() {
        if (barrier.compareAndSet(3, 0)) { 
            h2.release(2);
            o.release();
        }
    }
}

參考

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