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1115. 交替打印 FooBar

题目描述

给你一个类：

class FooBar {
  public void foo() {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      print("foo");
    }
  }

  public void bar() {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      print("bar");
    }
  }
}

两个不同的线程将会共用一个 FooBar 实例：

  • 线程 A 将会调用 foo() 方法，而
  • 线程 B 将会调用 bar() 方法

请设计修改程序，以确保 "foobar" 被输出 n 次。

 

示例 1：

输入：n = 1
输出："foobar"
解释：这里有两个线程被异步启动。其中一个调用 foo() 方法, 另一个调用 bar() 方法，"foobar" 将被输出一次。

示例 2：

输入：n = 2
输出："foobarfoobar"
解释："foobar" 将被输出两次。

 

提示：

  • 1 <= n <= 1000

解法

方法一：多线程 + 信号量

思考

两线程须严格交替打印 \(n\) 次。一对信号量 \(f\)、\(b\) 初值分别为 \(1\) 与 \(0\)，保证 foo 先获得许可；每次打印后释放对方、收回自己，下一轮才能继续。循环 \(n\) 次即可得到 foobar 重复 \(n\) 遍。

我们用两个信号量 \(f\) 和 \(b\) 来控制两个线程的执行顺序，其中 \(f\) 初始值为 \(1\)，而 \(b\) 初始值为 \(0\)，表示线程 \(A\) 先执行。

当线程 \(A\) 执行时，首先会执行 \(f\) 的 \(acquire\) 操作，此时 \(f\) 的值变为 \(0\)，线程 \(A\) 获得了 \(f\) 的使用权，可以执行 \(foo\) 函数，然后执行 \(b\) 的 \(release\) 操作，此时 \(b\) 的值变为 \(1\)，线程 \(B\) 获得了 \(b\) 的使用权，可以执行 \(bar\) 函数。

当线程 \(B\) 执行时，首先会执行 \(b\) 的 \(acquire\) 操作，此时 \(b\) 的值变为 \(0\)，线程 \(B\) 获得了 \(b\) 的使用权，可以执行 \(bar\) 函数，然后执行 \(f\) 的 \(release\) 操作，此时 \(f\) 的值变为 \(1\)，线程 \(A\) 获得了 \(f\) 的使用权，可以执行 \(foo\) 函数。

因此，我们只需要循环 \(n\) 次，每次执行 \(foo\) 和 \(bar\) 函数时，先执行 \(acquire\) 操作，再执行 \(release\) 操作即可。

时间复杂度 \(O(n)\)，空间复杂度 \(O(1)\)。

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from threading import Semaphore


class FooBar:
    def __init__(self, n):
        self.n = n
        self.f = Semaphore(1)
        self.b = Semaphore(0)

    def foo(self, printFoo: "Callable[[], None]") -> None:
        for _ in range(self.n):
            self.f.acquire()
            # printFoo() outputs "foo". Do not change or remove this line.
            printFoo()
            self.b.release()

    def bar(self, printBar: "Callable[[], None]") -> None:
        for _ in range(self.n):
            self.b.acquire()
            # printBar() outputs "bar". Do not change or remove this line.
            printBar()
            self.f.release()

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class FooBar {
    private int n;
    private Semaphore f = new Semaphore(1);
    private Semaphore b = new Semaphore(0);

    public FooBar(int n) {
        this.n = n;
    }

    public void foo(Runnable printFoo) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            f.acquire(1);
            // printFoo.run() outputs "foo". Do not change or remove this line.
            printFoo.run();
            b.release(1);
        }
    }

    public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            b.acquire(1);
            // printBar.run() outputs "bar". Do not change or remove this line.
            printBar.run();
            f.release(1);
        }
    }
}

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#include <semaphore.h>

class FooBar {
private:
    int n;
    sem_t f, b;

public:
    FooBar(int n) {
        this->n = n;
        sem_init(&f, 0, 1);
        sem_init(&b, 0, 0);
    }

    void foo(function<void()> printFoo) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            sem_wait(&f);
            // printFoo() outputs "foo". Do not change or remove this line.
            printFoo();
            sem_post(&b);
        }
    }

    void bar(function<void()> printBar) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            sem_wait(&b);
            // printBar() outputs "bar". Do not change or remove this line.
            printBar();
            sem_post(&f);
        }
    }
};

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