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使用 Semaphore 实现 FooBar 交替打印的线程同步教程

老静大大_7963

老静大大_7963

发布时间:2026-03-06 18:17:10

|

982人浏览过

|

来源于php中文网

原创

使用 Semaphore 实现 FooBar 交替打印的线程同步教程

本文详解如何通过 semaphore 正确实现两个线程交替执行(如打印 "foo" 和 "bar"),指出原代码因串行调用导致同步失效的问题,并提供可运行的多线程解决方案及关键原理说明。

本文详解如何通过 semaphore 正确实现两个线程交替执行(如打印 "foo" 和 "bar"),指出原代码因串行调用导致同步失效的问题,并提供可运行的多线程解决方案及关键原理说明。

在多线程编程中,Semaphore 是一种经典的同步工具,适用于控制对共享资源的访问或协调线程执行顺序。本教程聚焦一个典型场景:让两个线程严格交替执行——即线程 A 打印 "Foo" 后,必须等待线程 B 打印 "Bar",再轮到 A,如此循环,最终输出形如 FooBarFooBar... 的字符串。

? 原代码为何失效?关键误区解析

原始代码看似逻辑清晰:

  • foo() 初始化获取 f=1、等待 t=0;
  • bar() 初始化等待 t=0、释放 f;
  • 但问题出在 main 方法中 串行调用:
    pt.foo(printFo); // 主线程阻塞执行完全部5次Foo
    pt.bar(printBa); // 等foo返回后才开始执行bar → 完全失去并发与交替意义

    此时 Semaphore 未被多线程竞争,acquire()/release() 成为无意义的空转,输出为 FooFooFooFooFooBarBarBarBarBar,严重偏离预期。

✅ 正确做法:必须启动两个独立线程并发执行 foo() 和 bar(),使信号量在真实竞争中发挥调度作用。

✅ 正确实现:双线程 + Semaphore 协作

以下是修复后的完整可运行代码(已优化命名与异常处理):

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class FooBarPrinter {
    private final int n = 5;
    private final Semaphore fooPermit = new Semaphore(1); // 初始允许foo先执行
    private final Semaphore barPermit = new Semaphore(0);  // bar初始不可执行

    public void foo(Runnable printFoo) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            try {
                fooPermit.acquire(); // 等待获取foo许可
                printFoo.run();       // 执行打印
                barPermit.release();  // 允许bar执行
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RuntimeException("Foo thread interrupted", e);
            }
        }
    }

    public void bar(Runnable printBar) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            barPermit.acquire(); // 等待bar许可
            printBar.run();      // 执行打印
            fooPermit.release(); // 允许foo再次执行
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FooBarPrinter printer = new FooBarPrinter();
        Runnable printFoo = () -> System.out.print("Foo");
        Runnable printBar = () -> System.out.print("Bar");

        Thread t1 = new Thread(() -> printer.foo(printFoo));
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                printer.bar(printBar);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        // 确保主线程等待子线程完成(更健壮的方式是使用 join)
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(); // 换行便于观察输出
    }
}

✅ 输出结果:FooBarFooBarFooBarFooBarFooBar

⚠️ 关键注意事项

  • join() 替代 sleep():原答案使用 Thread.sleep(1000) 属于不严谨的“碰运气”等待;应改用 t1.join() 和 t2.join() 显式等待线程结束,确保输出完整性与程序健壮性。
  • 中断处理规范:捕获 InterruptedException 后务必恢复中断状态(Thread.currentThread().interrupt()),避免屏蔽中断信号,符合 Java 并发最佳实践。
  • Semaphore 初始化语义明确:fooPermit = new Semaphore(1) 表示初始允许 1 次进入;barPermit = new Semaphore(0) 表示 bar 必须等待 foo 首次 release() 后才能执行——这是实现“Foo 优先启动”的核心设计。
  • 避免静态方法或共享状态污染:本例中 n、Semaphore 均为实例成员,保障多实例隔离性;若需复用,应确保每个 FooBarPrinter 实例独占其信号量。

? 总结

Semaphore 不是“自动调度器”,而是线程间通信的契约工具:它本身不决定谁先执行,而是依赖开发者精确设计 acquire()/release() 的配对逻辑与初始许可数。要实现严格的交替执行,必须满足三个条件:

  1. 两个线程并发启动;
  2. 使用一对互补的信号量(如 S1=1, S2=0)构建“你等我、我等你”的闭环;
  3. 每次临界操作前后严格配对 acquire() 和 release()。

掌握这一模式,即可灵活扩展至三线程交替(如 FooBarBaz)、生产者-消费者节流等更复杂场景。

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