使用多线程的java数独解算器

Question

我已经使用回溯实现了一个数独解算器，但是我有性能问题，主要问题是isAvailable()函数检查数字是否对当前位置有效。不使用线程的执行时间为61ms：

protected boolean flag;

public boolean isAvailable(int sudoku[][], int row, int col, int num){
    flag = true;

    int rowStart = (row / 3) * 3;
    int colStart = (col / 3) * 3;

    for (int i = 0; i < 9; ++i) {
        if (sudoku[row][i] == num) {
            flag = false;
        }
    }

    for (int i = 0; i < 9; ++i) {
        if (sudoku[i][col] == num) {
            flag = false;
        }
    }

    for (int i = rowStart; i < (rowStart + 3); ++i) {
        for (int j = colStart; j < (colStart + 3); ++j) {
            if (sudoku[i][j] == num)
                flag = false;
        }
    }

    return flag;
}

结果:

Answer found
Time elapsed = 61.63ms
8 1 2 7 5 3 6 4 9 
9 4 3 6 8 2 1 7 5 
6 7 5 4 9 1 2 8 3 
1 5 4 2 3 7 8 9 6 
3 6 9 8 4 5 7 2 1 
2 8 7 1 6 9 5 3 4 
5 2 1 9 7 4 3 6 8 
4 3 8 5 2 6 9 1 7 
7 9 6 3 1 8 4 5 2 

但是，如果我使用不同的线程，一个用于检查行，另一个用于检查列，另一个用于检查框，我希望执行时间更短，但它需要大约312s

protected boolean flag;

public boolean isAvailable(int sudoku[][], int row, int col, int num) throws InterruptedException {
    flag = true;

    int rowStart = (row / 3) * 3;
    int colStart = (col / 3) * 3;

    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 9; ++i) {
                if (sudoku[row][i] == num) {
                    flag = false;
                }
            }
        }

    });
    t1.start();

    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 9; ++i) {
                if (sudoku[i][col] == num) {
                    flag = false;
                }
            }
        }

    });
    t2.start();


    Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            for (int i = rowStart; i < (rowStart + 3); ++i) {
                for (int j = colStart; j < (colStart + 3); ++j) {
                    if (sudoku[i][j] == num)
                        flag = false;
                }
            }
        }
    });
    t3.start();

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return flag;
}

结果:

Answer found
Time elapsed = 312514.63ms
8 1 2 7 5 3 6 4 9 
9 4 3 6 8 2 1 7 5 
6 7 5 4 9 1 2 8 3 
1 5 4 2 3 7 8 9 6 
3 6 9 8 4 5 7 2 1 
2 8 7 1 6 9 5 3 4 
5 2 1 9 7 4 3 6 8 
4 3 8 5 2 6 9 1 7 
7 9 6 3 1 8 4 5 2 

如果您需要我的完整代码：

import java.text.DecimalFormat;

public class Main {

    public static void main(String[] args){

          int sudoku[][] = {{8, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
                            {0, 0, 3, 6, 0, 0, 0, 0, 0},
                            {0, 7, 0, 0, 9, 0, 2, 0, 0},
                            {0, 5, 0, 0, 0, 7, 0, 0, 0},
                            {0, 0, 0, 0, 4, 5, 7, 0, 0},
                            {0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0},
                            {0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 6, 8},
                            {0, 0, 8, 5, 0, 0, 0, 1, 0},
                            {0, 9, 0, 0, 0, 0, 4, 0, 0}};

        Main m = new Main();
        long starttime = System.nanoTime();
        boolean k = m.fillsudoku(sudoku, 0, 0);
        long endtime = System.nanoTime();

        DecimalFormat df = new DecimalFormat("#.##");

        if (k) {
            System.out.println("Answer found");
            System.out.println("Time elapsed = " + df.format((double) (endtime - starttime) / 1000000) + "ms");
            for (int i = 0; i < 9; i++) {
                for (int j = 0; j < 9; j++) {
                    System.out.print(sudoku[i][j] + " ");
                }
                System.out.println();
            }
        } else {
            System.out.println("Not found");
        }
    }

    public boolean fillsudoku(int sudoku[][], int row, int col){
        if(row < 9){
            if(sudoku[row][col] != 0){
                if(col < 8){
                    return fillsudoku(sudoku, row, col+1);
                }
                else if(row < 8){
                    return fillsudoku(sudoku, row+1, 0);
                }
                return true;
            }
            else{
                for(int i=1;i<=9;i++){
                    if(isAvailable(sudoku, row, col, i)){        // <- checking function
                        sudoku[row][col] = i;
                        if(col == 8){
                            if(fillsudoku(sudoku, row+1, 0)){
                                return true;
                            }
                        }
                        else{
                            if(fillsudoku(sudoku, row, col+1)){
                                return true;
                            }
                        }
                        sudoku[row][col] = 0;
                    }
                }
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    protected boolean flag;

    public boolean isAvailable(int sudoku[][], int row, int col, int num){
    ........
    ........
    }
}

如何使用线程来提高性能，有什么建议吗？我的想法是否正确

Answer 1

你可以有效地使用线程，但不能让它们做这么小的工作。您正在尝试对单个字段按顺序执行多个i，这是并行化的最佳位置。请注意，您必须深度克隆sudoku数组，这样线程就不会相互碰撞。这样很容易实现接近CPU数量的加速

Answer 2

不幸的是，这里的多线程没有任何好处
与连续运行3个简单循环相比，每次方法调用创建3个线程的成本更高
27实际上，检查和重新分配迭代不值得并行

说到改进，我们可以使用带有^{}的线程池来重写该方法。我试过了，结果如下：

54.25ms     // your plain version
65397.06ms  // your multithreading version
5500.82ms   // ExecutorService version

我只是将^{}变量转换成^{}变量，将它们传递给^{}并调用^{}：

Runnable r1 = () -> { ... };
// other Runnables

final Future<?> f1 = executorService.submit(r1);
// other Futures

try {
    f1.get();
    // other gets
} catch (ExecutionException e) { ... }