门| GATE 2017 MOCK II |问题2

这道题目出自 GATE 2017 Mock Exam II，是一道关于多线程的问题。下面会详细说明题目要求，以及可能的解法。

题目要求

问题描述：

有两个线程：一号线程负责输出数字 1、3、5……99，二号线程负责输出数字 2、4、6……100。这两个线程应该并发执行，并且保证能够按照从小到大的顺序输出所有的数字。

问题要求：

编写一个程序，使用多线程技术实现上述问题要求。

要求使用一门通用的编程语言实现，且应当按照多线程编程的最佳实践来编写代码。

解法分析

这个问题看上去很简单，但实际上涉及到的细节有很多。下面我们来分别考虑一下如何实现这个问题：

解法 1：使用信号量

首先，我们可以使用信号量来实现这个问题：

from threading import Semaphore

# 两个线程的信号量
sem1 = Semaphore(1)
sem2 = Semaphore(0)

# 线程 1，输出奇数
def thread_1():
    for i in range(1, 100, 2):
        sem1.acquire()
        print(i)
        sem2.release()

# 线程 2，输出偶数
def thread_2():
    for i in range(2, 101, 2):
        sem2.acquire()
        print(i)
        sem1.release()

# 启动线程
t1 = threading.Thread(target=thread_1)
t2 = threading.Thread(target=thread_2)
t1.start()
t2.start()

# 等待线程结束
t1.join()
t2.join()

这里我们利用了两个信号量 sem1 和 sem2，来控制两个线程之间的交互。sem1 初始值为 1，表示第一个线程可以开始执行，并得到了锁；sem2 初始值为 0，表示第二个线程需要等待第一个线程释放锁之后才能开始执行。

当第一个线程执行完毕输出奇数之后，他释放了 sem2 的锁，此时第二个线程就可以开始执行了，输出偶数，然后再释放锁 sem1，这样就保证了两个线程执行的顺序。

解法 2：使用锁

另外一个解法是使用锁来实现。这里我们可以使用 threading.Lock() 和 threading.Condition()：

from threading import Thread, Lock, Condition

# 定义互斥锁和条件变量
mut = Lock()
cond = Condition()

# 共享的数字
num = 1

# 线程 1，输出奇数
def thread_1():
    global num
    while num < 100:
        with mut:
            if num % 2 == 0:
                cond.wait()
            print(num)
            num += 1
            cond.notify()

# 线程 2，输出偶数
def thread_2():
    global num
    while num <= 100:
        with mut:
            if num % 2 == 1:
                cond.wait()
            print(num)
            num += 1
            cond.notify()

# 启动线程
t1 = Thread(target=thread_1)
t2 = Thread(target=thread_2)
t1.start()
t2.start()

# 等待线程结束
t1.join()
t2.join()

这里我们使用了一个共享变量 num，来保存当前要输出的数字。两个线程通过共享这个变量来同步输出数字。我们还定义了一个条件变量 cond，用来同步两个线程之间的交互。

当第一个线程执行完毕输出奇数之后，他通过条件变量通知第二个线程开始执行，然后自己阻塞等待。当第二个线程执行完毕输出偶数之后，他也通过条件变量通知第一个线程开始执行，然后自己阻塞等待。通过这样的同步方式，就可以保证两个线程按照要求协同执行了。

总结

这道题目考察了多线程编程的基础知识和技巧。编写多线程程序时，我们应当注意线程之间的同步，特别是对于共享资源的使用要格外小心。一些工具类，如信号量、互斥锁、条件变量等，可以方便我们实现同步的目的。