【操作系统作业】数独解决方案验证器（利用多线程解决）

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一、题目

数独谜题使用 9×9 的网格，其中每一列和每一行以及每 3×3 子网格中的每
一个子网格必须包含所有数字 1···9。 图 1 给出了一个有效的数独游戏示例。
这个项目包括设计多线程应用程序来确定数独谜题的解决是否有效。
这个多线程应用程序有几种不同的设计。一种建议的策略是创建检查以下条
件的线程：

• 一个线程，检查每列包含数字 1 到 9
• 一个线程，检查每行包含数字 1 到 9
• ９个线程来检查 3×3 子网格中的每个子网格是否包含数字 1 到 9这总共创建 11 个单独的线程，以验证数独谜题。但是，也可以为该项目创建更多线程。例如，不是创建一个线程来检查９列，而是创建９个线程来分别检查每列。
  

将参数传给每个线程
父线程创建工作线程，向每个工作线程传递它在数独网格中检查的位置。这
一步需要向每个线程传递多个参数。最简单的方法是：采用 struct 创建一个数
据结构。例如，为了线程的验证，可用包括行和列的数据结构来传递参数。

/* structure for passing data to threads */ 
typedef struct
{
     
int row;
int column;
} parameters;
Pthreads 和 Windows 程序的工作线程创建类似如下代码所示：
parameters *data = (parameters *) malloc(sizeof(parameters));
data->row = 1;
data->column = 1;
/* Now create the thread passing it data as a parameter */

指针 data 将被传递给线程创建函数 pthread create（（Pthreads）或CreateThread（）（Windows）函数，后者将把 data 作为参数传递到作为单独线程运行的函数。
将结果返回到父线程
每个工作线程都被分配了一项任务，即判定数独谜题中特定区域的有效性。工作进程执行此检查后，必须将其结果传给父进程。处理这个问题的一个好方法是：创建一个对每个线程可见的整数值数组。此数组中的第 i 个索引对应于第 i个工作线程。如果一个工作线程将其对应的值设置为 1，则表示它的数独谜题区域是有效的；为 0 的值表示无效。当所有工作线程完成后，父线程检查结果数组中的每项，确定数独游戏是否有效。

二、设计思路

用Java的多线程来并发执行，利用了jdk中的CountDownLatch计数器和ThreadPoolExecutor线程池来解决问题。

思路：9个线程执行9个区块的检查，另外两个分别负责行列的检查，同时将这些操作放入到线程池，并利用CountDownLatch来统计线程的情况，当所有线程完成时，主线程mian输出结果数组。

三、代码

这里判断时我用了一个小技巧来加快检查效率，即利用flag数组存放某个数字被标记的次数，如果此次检查时，该数字i对应的flag[i]中标记次数等于轮数+1，则表示在该轮检查中，已经被标记过了一次，此次又遇到，说明此轮中存在两个相同数字，与规则相悖，直接记录结果，返回即可（别忘了把计数器减一表示线程已经结束）。

package com.dreamchaser.concurrent;

import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.*;

/**
 * @author 金昊霖
 */
public class Main {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        // 线程数
        final int THREAD_POOL_SIZE = 11;
        //0-8表示9个区块，9,10表示行，列检查。值为0则通过，1表示不通过
        int [] result=new int[11];
        int [][]numbers={
     
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
                {
     6,2,4,5,3,9,1,8,7},
        };
        //一次性计数器，用于协调多线程，这里的主要目的在于等待所有线程结束再输出结果
        final  CountDownLatch countDown = new CountDownLatch(11);

        // 创建线程池，其中任务队列需要结合实际情况设置合理的容量
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(THREAD_POOL_SIZE,
                THREAD_POOL_SIZE,
                0L,
                TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
        executor.execute(new Runnable() {
     
            //检查行
            @Override
            public void run() {
     
                int [] flag=new int[9];
                for (int i=0;i<9;i++){
     
                    for (int j=0;j<9;j++){
     
                        //如果是i+1则说明不符合条件,标记并退出即可
                        if (flag[numbers[i][j]-1]==i+1){
     
                            result[9]=1;
                            countDown.countDown();
                            return;
                        }
                        flag[numbers[i][j]-1]++;
                    }
                }
                countDown.countDown();
            }
        });
        executor.execute(new Runnable() {
     
            //检查列
            @Override
            public void run() {
     
                int [] flag=new int[9];
                for (int i=0;i<9;i++){
     
                    for (int j=0;j<9;j++){
     
                        //如果是i+1则说明不符合条件,标记并退出即可
                        if (flag[numbers[j][i]-1]==i+1){
     
                            result[9]=1;
                            countDown.countDown();
                            return;
                        }
                        flag[numbers[j][i]-1]++;
                    }
                }
                countDown.countDown();
            }
        });
        for (int i=0;i<9;i+=3){
     
            for (int j=0;j<9;j+=3){
     
                executor.execute(new Check(i,j,result,numbers,countDown));
            }
        }
        System.out.println("未等待所有线程结束的结果："+Arrays.toString(result));
        try {
     
            //等待其他所有线程结束
            countDown.await();
        } catch (InterruptedException e) {
     
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("所有线程结束后的结果："+Arrays.toString(result));

    }

}

/**
 * 线程类，用于检查9个区块
 */
class Check implements Runnable{
     
    int i;
    int j;
    int[] result;
    int[][] numbers;
    CountDownLatch countDownLatch;

    public Check(int i, int j, int[] result, int[][] numbers,CountDownLatch countDownLatch) {
     
        this.i = i;
        this.j = j;
        this.result = result;
        this.numbers = numbers;
        this.countDownLatch=countDownLatch;
    }

    @Override
    public void run() {
     
        int [] flag=new int[9];
        for (int x=i;x<i+3;x++){
     
            for (int y=j;y<j+3;j++){
     
                if (flag[numbers[x][y]-1]==1){
     
                    result[i+j/3]=1;
                    countDownLatch.countDown();
                    return;
                }
                flag[numbers[x][y]-1]++;
            }
        }
        countDownLatch.countDown();
    }
}

四、总结

我之前其实自学过Java多线程的知识，可现在实际用起来还是得重新回去查资料，看来看一遍只是说我了解了这个知识，甚至只是知道这个知识，至于如何去用还需多多实践，只有在不断实践中才能理解掌握。