门|门模拟 2017 |问题 15

这是一道关于并发编程的问题，需要以编程方式实现一个门禁系统。假设有n个人需要进入一栋大楼，大楼一共有m个门。为了保证安全性，同一时刻只能有一个人通过门禁系统进入大楼，不同的门可以同时使用。现在你需要实现一个类，名为 Door，用来管理n个人和m个门的并发操作。门禁系统需要具备以下几个方法：

• Door(int n, int m)：初始化Door对象，n 表示有多少个人需要进入大楼，m表示大楼的门的数量。
• bool open(int id)：代表id这个人试图通过门进入大楼。如果现在有门空闲，那么id 这个人就可以进入大楼，并且返回true；否则，返回false，表示id 这个人没有办法进入大楼。
• void close(int id)：代表id这个人通过门进入大楼，并且准备关闭门，调用这个方法之后，其他人才能通过这扇门进入大楼。

在Door对象中还需要处理多个门之间的竞争，以及多个人之间的竞争，确保并发操作是线程安全的。

解决方案

在解决这个问题之前，需要了解一下Java中的高级并发编程。Java中的锁分为重量级锁和轻量级锁，其中重量级锁的性能较差，因为每次对锁进行争用时，都要将线程挂起。而轻量级锁是为了解决重量级锁的性能问题而设计的，它不会阻塞线程，因为线程可以保持锁并继续执行，并不需要在处理器之间切换。

为了实现这个问题，需要使用Java的ReentrantLock类，它是Java中的一个线程安全的锁，可以用来保证并发操作的线程安全。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Door {
    private final int n;
    private final int m;
    private int[] people = new int[m];   //记录每扇门上的人数
    private ReentrantLock[] lock = new ReentrantLock[m];   //每扇门的锁
    private Condition[] condition = new Condition[m];   //每扇门上的等待队列

    public Door(int n, int m) {
        this.n = n;
        this.m = m;
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            lock[i] = new ReentrantLock();
            condition[i] = lock[i].newCondition();
        }
    }

    public boolean open(int id) {
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            lock[i].lock();
            if (people[i] < n) {   //如果人数没满
                people[i]++;   //人数加一
                System.out.println("第" + i + "扇门，第" + people[i] + "个人进入大楼");
                if (people[i] == n) {   //如果人数已满
                    condition[i].signal();   //唤醒等待队列里的线程
                }
                lock[i].unlock();
                return true;
            } else {
                lock[i].unlock();
            }
        }
        return false;
    }

    public void close(int id) {
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            lock[i].lock();
            if (people[i] > 0) {   //如果有人通过
                people[i]--;   //人数减一
                System.out.println("第" + i + "扇门，第" + (people[i] + 1) + "个人进入大楼");
                if (people[i] == 0) {   //如果没有人通过
                    condition[i].signal();   //唤醒等待队列里的线程
                }
                lock[i].unlock();
                break;   //只有一扇门需要关闭
            } else {
                lock[i].unlock();
            }
        }
    }
}

测试代码

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Door door = new Door(3, 3);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            int id = (int) (Math.random() * 10);
            while (!door.open(id)) ;   //如果无法通过门禁就等待
            door.close(id);
        }).start();
    }
}

总结

通过以上代码，我们可以看到，通过Java的ReentrantLock类来实现并发操作的线程安全非常简单。在门禁系统中，通过锁定每扇门来解决多扇门之间的竞争，通过wait和signal来解决多个人之间的竞争。在这个问题中还需要注意的是，多个线程可能会同时等待，并发访问同一个变量，因此需要保证线程安全性。