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- 一、问题概述
- 二、解决思路
- 三、代码实现
- 四、代码优化
一、问题概述
面试官：C++多线程了解吗？你给我写一下，起两个线程交替打印0~100的奇偶数。就是有两个线程，一个线程打印奇数另一个打印偶数，它们交替输出，类似这样。
偶线程：0
奇线程：1
偶线程：2
奇线程：3
……
偶线程：98
奇线程：99
偶线程：100
面对突如其来的面试题，确实可能会让人感到手足无措。即便你已经掌握了多线程的相关知识，面试官突然提出一个问题，短时间内想要构思出一个解决方案可能还是有些困难。实际上，这类问题所涉及的知识点通常并不复杂，但如果在准备面试时没有遇到过类似的题目，想要迅速想出解决方案确实需要一定的技巧，而且面试官往往还要求面试者现场手写代码。
二、解决思路
回到题目本身，我们需要处理的是两个线程的协作问题，并且要求它们能够交替打印数字。这涉及到线程间的通信和同步。在这种情况下，我们可以想到的基本策略是使用锁来控制线程的执行顺序。拿到锁的线程可以执行打印操作，然后释放锁，让另一个线程有机会获取锁。这样，两个线程就可以轮流获得锁，实现交替打印的效果。
创建两个线程并不复杂，实现加锁机制也相对简单。关键在于如何确保这两个线程能够公平地轮流获取锁。我们知道，在加锁之后，线程之间会相互竞争以获取锁。C++标准库中的锁默认并不保证公平性（也就是说，不能保证先请求锁的线程一定会先获得锁），这就可能导致一个线程连续打印多次，而另一个线程则长时间无法打印。
为了解决这个问题，我们可以设计一种机制来确保两个线程能够轮流打印。例如，我们可以定义一个全局变量来指示哪个线程应该先打印，然后每个线程在尝试获取锁之前先检查这个全局变量，确保只有当它应该打印时才去竞争锁。这样，我们就可以避免一个线程长时间占用锁，从而实现两个线程的公平交替打印。
三、代码实现
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
int main()
{
// 创建互斥锁用于同步线程
std::mutex mtx;
// 初始化全局变量x为1，代表要打印的第一个数字
int x = 1;
// 创建条件变量用于线程间同步
std::condition_variable cv;
// 标志变量，用于控制哪个线程应该执行
bool flag = false;
// 创建线程t1，负责打印奇数
std::thread t1([&]() {
for (size_t i = 0; i < 50; i++)
{
// 锁定互斥锁
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
// 如果flag为true，则等待cv的通知
while (flag)
cv.wait(lock);
// 打印当前线程ID和x的值
std::cout << "奇线程: " << x << std::endl;
// x加1，准备打印下一个数字
++x;
// 将flag设置为true，允许t2执行
flag = true;
// 通知一个等待cv的线程
cv.notify_one();
}
});
// 创建线程t2，负责打印偶数
std::thread t2([&]() {
for (size_t i = 0; i < 50; i++)
{
// 锁定互斥锁
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
// 如果flag为false，则等待cv的通知
while(!flag)
cv.wait(lock);
// 打印当前线程ID和x的值
std::cout << "偶线程: " << x << std::endl;
// x加1，准备打印下一个数字
++x;
// 将flag设置为false，允许t1执行
flag = false;
// 通知一个等待cv的线程
cv.notify_one();
}
});
// 等待线程t1和t2完成
t1.join();
t2.join();
// 程序正常退出
return 0;
}
上面的这段代码让两个线程交替打印奇数和偶数。下面是代码实现的核心思路：
-
初始化同步工具：
std::mutex mtx;：创建一个互斥锁mtx，用于保护共享资源（在这个例子中是变量x和flag）的访问。std::condition_variable cv;：创建一个条件变量cv，用于线程间的同步和通信。bool flag = false;：创建一个标志变量flag，用于控制线程t1和t2的执行顺序。
-
创建线程：
- 使用
std::thread创建两个线程t1和t2，它们将共享相同的函数对象，但执行不同的任务。
- 使用
-
线程t1的逻辑：
t1负责打印奇数。- 使用
std::unique_lock锁定互斥锁mtx，确保对共享资源的安全访问。 - 通过
while (flag)循环和cv.wait(lock)调用，t1在flag为true时等待，这是为了让t2先执行。 - 当
flag为false（即t2执行完毕后），t1打印当前的x值，然后将x加1。 - 将
flag设置为true，表示t1已经执行完毕，现在轮到t2执行。 - 调用
cv.notify_one()唤醒等待在cv上的一个线程，即t2。
-
线程t2的逻辑：
t2负责打印偶数。- 类似于
t1，t2首先锁定互斥锁mtx。 - 通过
while(!flag)循环和cv.wait(lock)调用，t2在flag为false时等待，这是为了让t1先执行。 - 当
flag为true（即t1执行完毕后），t2打印当前的x值，然后将x加1。 - 将
flag设置为false，表示t2已经执行完毕，现在轮到t1执行。 - 调用
cv.notify_one()唤醒等待在cv上的一个线程，即t1。
-
等待线程结束：
- 使用
t1.join()和t2.join()确保主线程等待t1和t2线程完成执行。
- 使用
-
程序退出：
return 0;表示程序正常退出。
这种使用互斥锁、条件变量和标志变量的模式是多线程同步中常见的一种方法，它允许多个线程以一种协调的方式交替执行任务。通过这种方式，可以避免竞态条件和数据不一致的问题，确保线程安全。
四、代码优化
代码可以进行一些优化以提高其可读性和效率。
-
使用
std::atomic：
使用std::atomic<int>代替int类型来声明x，这样可以避免在多线程环境中对x的访问需要互斥锁的保护。 -
减少锁的范围：
缩小互斥锁的使用范围，只在必要时锁定和解锁，以减少锁的争用。 -
使用
std::chrono：
使用std::chrono库中的类型来指定condition_variable的超时时间，以避免长时间等待。 -
使用
notify_all代替notify_one：
如果只有两个线程在等待同一个条件变量，使用notify_all可以避免唤醒一个线程后再次等待。 -
代码重构：
将线程函数提取为独立的函数，以提高代码的可读性和可维护性。
下面是优化后的代码：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>
#include <condition_variable>
#include <chrono>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::atomic<int> x(1); // 使用原子操作来保证线程安全
bool flag = false;
void print_numbers(bool is_odd) {
for (size_t i = 0; i < 50; i++) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
while (flag != is_odd) {
cv.wait(lock, []{ return flag != is_odd; }); // 使用lambda表达式指定唤醒条件
}
std::cout << std::this_thread::get_id() << ":" << x++ << std::endl;
flag = !is_odd; // 切换flag的值
cv.notify_all(); // 唤醒另一个线程
}
}
int main() {
std::thread t1(print_numbers, true);
std::thread t2(print_numbers, false);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
在这个优化版本中：
x被声明为std::atomic<int>类型，因此不需要互斥锁来保护x的增加操作。- 条件变量的等待条件被封装在lambda表达式中，这样可以更清晰地指定唤醒条件。
- 使用
notify_all()来唤醒所有等待的线程，因为在这个场景中只有两个线程，所以notify_one()和notify_all()效果相同，但notify_all()是一个更通用的选择。 - 将打印逻辑抽象到
print_numbers函数中，并使用is_odd参数来区分是打印奇数还是偶数。
