阿里2014校招笔试题（南大）——利用thread和sleep生成字符串的伪随机序列

引言：题目具体描述记不大清了，大概是：Linux平台，利用线程调度的随机性和sleep的不准确性，生成一个各位均不相同的字符数组的伪随机序列。不得使用任何库函数。（这句记得清楚，当时在想线程库算不算，题目的意思应该是：不得使用库提供的随机函数）

1.算法

当时读完题很开心，因为这题的算法曾在《编程珠玑》里看到过（取样问题ch12,p119）。算法比较简单，就是除了第一字符（下标0）以外，为其余N-1个字符各创建一个线程，每个线程先sleep一秒（也可以更长），再将对应位置的字符和第一个字符交换；N-1个线程完成后，主线程结束。原理暗藏在题目中，sleep一秒后，因为sleep的不准确性，这N-1个线程几乎同时醒来（就绪）（试想如若sleep非常精确，各个线程醒来的顺序就会和创建顺序相同）；又由于线程调度的随机性，这时会被执行的线程是随机的，（不知先后顺序地）执行N-1次之前所述的交换所得的基本上就是一个随机序列。不过当时想不起来pthread_create几个参数的顺序了（前面题的计算量不小，头都搞晕了），就随便按个顺序写了。回来后，按照当时的思路很快在电脑上写了出来：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #ifdef WIN32 # include <windows.h> #define sleep(x) Sleep(1000 * x) #endif char str [] = "ABCDEFGH" ; #define LEN sizeof(str) / sizeof(str[0]) - 1 pthread_t tids [ LEN ]; void * thread_func ( void * idx ) { char tmp ; sleep ( 1 ); tmp = str [( int ) idx ]; str [( int ) idx ] = str [ 0 ]; // str[0] is the critical resource !! str [ 0 ] = tmp ; return ( void * ) 0 ; } int main ( void ) { int i ; puts ( str ); for ( i = 1 ; i < LEN ; i ++ ) { pthread_create ( & tids [ i ], NULL , thread_func , ( void * ) i ); } sleep ( 2 ); puts ( str ); return 0 ; }

 来自CODE的代码片

err_rand_str.c

注意：main里用sleep(2)（比N-1个线程多sleep一秒）等待其他线程只是为了写起来简单，并不严谨！

2.互斥

不过一在电脑上写出来立即意识到一个问题——第一个元素是临界资源（所有“其他线程”都想抢着用这块地）；如果不做互斥访问可能会出现——有的字符出现两次（获更多）有的字符没了，这种错误不是每次都会出现：

意识到这个错误之后，比较容易修改，只需将线程函数内对第一个元素的操作放入临界区中即可：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #ifdef WIN32 # include <windows.h> #define sleep(x) Sleep(1000 * x) #endif char str [] = "ABCDEFGH" ; #define LEN sizeof(str) / sizeof(str[0]) - 1 pthread_t tids [ LEN ]; pthread_mutex_t mutex ; void * thread_func ( void * idx ) { char tmp ; sleep ( 1 ); tmp = str [( int ) idx ]; pthread_mutex_lock ( & mutex ); str [( int ) idx ] = str [ 0 ]; // str[0] is the critical resource !! str [ 0 ] = tmp ; pthread_mutex_unlock ( & mutex ); return ( void * ) 0 ; } int main ( void ) { int i ; puts ( str ); pthread_mutex_init ( & mutex , NULL ); for ( i = 1 ; i < LEN ; i ++ ) { pthread_create ( & tids [ i ], NULL , thread_func , ( void * ) i ); } sleep ( 2 ); puts ( str ); pthread_mutex_destroy ( & mutex ); return EXIT_SUCCESS ; }

 来自CODE的代码片

err2_rand_str.c

这次不会再有错误。for命令连续测试10次：

到此，说明这个算法没有问题。

3.同步

还应该main里的sleeep(2)改掉。main创建好N-1个线程后就应该被挂起，直到其他所有线程都“完工”后才应该被唤醒；肯定要用条件变量，main创建好其他线程后wait阻塞，其他所有线程都“完工”再被signal唤醒。为了保证这样的顺序，必须要让最后一个完工的线程知道自己是最后一个，也就是在最后一个其他线程“收工”的时候signal。只需要加个计数变量count用来标记还有多少线程没有完工，将其初始化为要创建的线程数N-1，每有一个线程“完工”就count--，判断count的值即可知道当前线程是倒数第几个完工的。(啰嗦一堆，还是上代码直观)：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #ifdef WIN32 # include <windows.h> #define sleep(x) Sleep(1000 * x) #endif char str [] = "ABCDEFGH" ; #define LEN sizeof(str) / sizeof(str[0]) - 1 int count ; pthread_t tids [ LEN ]; pthread_mutex_t mutex ; pthread_mutex_t mc ; pthread_cond_t cond ; void * thread_func ( void * idx ) { char tmp ; // in TLS(Thread local space.) sleep ( 1 ); tmp = str [( int ) idx ]; pthread_mutex_lock ( & mutex ); str [( int ) idx ] = str [ 0 ]; // str[0] is the critical resource. str [ 0 ] = tmp ; -- count ; printf ( "%d %d \n " , idx , count ); if ( count == 0 ) { puts ( "SIGNAL" ); pthread_cond_signal ( & cond ); } pthread_mutex_unlock ( & mutex ); return ( void * ) 0 ; } int main ( void ) { int i ; puts ( str ); count = LEN - 1 ; pthread_mutex_init ( & mutex , 0 ); pthread_mutex_init ( & mc , 0 ); pthread_cond_init ( & cond , 0 ); for ( i = 1 ; i < LEN ; i ++ ) { pthread_create ( & tids [ i ], 0 , thread_func , ( void * ) i ); } pthread_mutex_lock ( & mc ); puts ( "WAIT" ); pthread_cond_wait ( & cond , & mc ); pthread_mutex_unlock ( & mc ); puts ( str ); pthread_cond_destroy ( & cond ); pthread_mutex_destroy ( & mc ); pthread_mutex_destroy ( & mutex ); return EXIT_SUCCESS ; }

 来自CODE的代码片

rand_str.c

需要稍加留意的是：count也是临界资源，需要放到临界区里（和str[0]一样）；另外pthread_cond_wait接口所需的 pthread_mutex_t *  不能用维护“其他线程”临界的那个mutex，应该再定义一个mutex。因为pthread_cond_wait会原子性地阻塞当前线程同时unlock传入的mutex，pthread_cond_wait返回时，传入的mutex再次被锁。（APUEcn2e p309）

注：本机环境gcc 4.6.1(MinGW)