利用thread和sleep生成字符串的伪随机序列

原文：http://blog.csdn.net/xusiwei1236/article/details/11990591

ps：互联网上牛人真多！想想自己自己借到 编程珠玑 几个月了一页没翻，(ˇˍˇ） 哎～

pps:3.29日，和小伙伴讨论这个问题的时候发觉，原文中用的随机算法不是严格随机，细心地童鞋可能会发现，按原作者的随机算法使得随机之后的字符串中，字符"A"永远也不会出现在第一个位置上，但是这样的话就造成不是严格随机，以下是改进方法：可以再增加一个全局buffer，当某个线程第一个被唤醒，把相应的字符写到buffer[0]，当某个线程第二个被唤醒，把相应的字符写到buffer[1]，以此类推，这样最后buffer里面的字符排列大致是随机的，比原文中随机算法更合理。

1.算法

当时读完题很开心，这题可以用与“《编程珠玑》取样问题（ch12, p119）”类似的算法解决。算法如下——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便是一个伪随机序列。

#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;
}

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：

#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;
}

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)：

#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
", 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;
}

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)