【143期】你知道 Java 是如何实现线程间通信的吗?

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面试刷图,查缺补漏

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阶段汇总集合:

正常情况下,每个子线程完成各自的任务就可以结束了。不过有的时候,我们希望多个线程协同工作来完成某个任务,这时就涉及到了线程间通信了。

本文涉及到的知识点:

  • thread.join(),
  • object.wait(),
  • object.notify(),
  • CountdownLatch,
  • CyclicBarrier,
  • FutureTask,
  • Callable 。
  • object.wait(),

    CountdownLatch,

    FutureTask,

    本文涉及代码: https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java

    下面我从几个例子作为切入点来讲解下 Java 里有哪些方法来实现线程间通信。

  • 如何让两个线程依次执行?
  • 那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢?
  • 四个线程 A B C D,其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行,而且 A B C 是同步运行的
  • 三个运动员各自准备,等到三个人都准备好后,再一起跑
  • 子线程完成某件任务后,把得到的结果回传给主线程
  • 那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢?

    三个运动员各自准备,等到三个人都准备好后,再一起跑

    如何让两个线程依次执行?

    假设有两个线程,一个是线程 A,另一个是线程 B,两个线程分别依次打印 1-3 三个数字即可。我们来看下代码:

    
    private static void demo1() {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                printNumber("A");
            }
        });
        Thread B = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                printNumber("B");
            }
        });
        A.start();
        B.start();
    }
    

    其中的 printNumber(String) 实现如下,用来依次打印 1, 2, 3 三个数字:

    
    private static void printNumber(String threadName) {
        int i=0;
        while (i++  3) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadName + " print: " + i);
        }
    }
    

    这时我们得到的结果是:

    B print: 1 A print: 1 B print: 2 A print: 2 B print: 3 A print: 3

    可以看到 A 和 B 是同时打印的。

    那么,如果我们希望 B 在 A 全部打印 完后再开始打印呢?我们可以利用 thread.join() 方法,代码如下:

    
    private static void demo2() {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                printNumber("A");
            }
        });
        Thread B = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("B 开始等待 A");
                try {
                    A.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                printNumber("B");
            }
        });
        B.start();
        A.start();
    }
    

    得到的结果如下:

    B 开始等待 A A print: 1 A print: 2 A print: 3

    B print: 1 B print: 2 B print: 3

    所以我们能看到 A.join() 方法会让 B 一直等待直到 A 运行完毕。

    那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢?

    还是上面那个例子,我现在希望 A 在打印完 1 后,再让 B 打印 1, 2, 3,最后再回到 A 继续打印 2, 3。这种需求下,显然 Thread.join() 已经不能满足了。我们需要更细粒度的锁来控制执行顺序。

    这里,我们可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下:

    
    /**
     * A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
     */
    private static void demo3() {
        Object lock = new Object();
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock) {
                    System.out.println("A 1");
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("A 2");
                    System.out.println("A 3");
                }
            }
        });
        Thread B = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock) {
                    System.out.println("B 1");
                    System.out.println("B 2");
                    System.out.println("B 3");
                    lock.notify();
                }
            }
        });
        A.start();
        B.start();
    }
    

    打印结果如下:

    A 1 A waiting…

    B 1 B 2 B 3 A 2 A 3

    正是我们要的结果。

    那么,这个过程发生了什么呢?

  • 首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
  • 当 A 得到锁后,先打印 1,然后调用 lock.wait() 方法,交出锁的控制权,进入 wait 状态;
  • 对 B 而言,由于 A 最开始得到了锁,导致 B 无法执行;直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后, B 才得到了锁;
  • B 在得到锁后打印 1, 2, 3;然后调用 lock.notify() 方法,唤醒正在 wait 的 A;
  • A 被唤醒后,继续打印剩下的 2,3。
  • 当 A 得到锁后,先打印 1,然后调用 lock.wait() 方法,交出锁的控制权,进入 wait 状态;

    B 在得到锁后打印 1, 2, 3;然后调用 lock.notify() 方法,唤醒正在 wait 的 A;

    为了更好理解,我在上面的代码里加上 log 方便读者查看。

    
    private static void demo3() {
        Object lock = new Object();
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("INFO: A 等待锁 ");
                synchronized (lock) {
                    System.out.println("INFO: A 得到了锁 lock");
                    System.out.println("A 1");
                    try {
                        System.out.println("INFO: A 准备进入等待状态,放弃锁 lock 的控制权 ");
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock");
                    System.out.println("A 2");
                    System.out.println("A 3");
                }
            }
        });
        Thread B = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("INFO: B 等待锁 ");
                synchronized (lock) {
                    System.out.println("INFO: B 得到了锁 lock");
                    System.out.println("B 1");
                    System.out.println("B 2");
                    System.out.println("B 3");
                    System.out.println("INFO: B 打印完毕,调用 notify 方法 ");
                    lock.notify();
                }
            }
        });
        A.start();
        B.start();
    }
    

    打印结果如下:

    INFO: A 等待锁 INFO: A 得到了锁 lock A 1 INFO: A 准备进入等待状态,调用 lock.wait() 放弃锁 lock 的控制权 INFO: B 等待锁 INFO: B 得到了锁 lock B 1 B 2 B 3 INFO: B 打印完毕,调用 lock.notify() 方法 INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock A 2 A 3

    四个线程 A B C D,其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行,而且 A B C 是同步运行的

    最开始我们介绍了 thread.join(),可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行,那我们可以在 D 线程里依次 join A B C,不过这也就使得 A B C 必须依次执行,而我们要的是这三者能同步运行。

    或者说,我们希望达到的目的是:A B C 三个线程同时运行,各自独立运行完后通知 D;对 D 而言,只要 A B C 都运行完了,D 再开始运行。针对这种情况,我们可以利用 CountdownLatch 来实现这类通信方式。它的基本用法是:

  • 创建一个计数器,设置初始值,CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
  • 在 等待线程 里调用 countDownLatch.await() 方法,进入等待状态,直到计数值变成 0;
  • 在 其他线程 里,调用 countDownLatch.countDown() 方法,该方法会将计数值减小 1;
  • 当 其他线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时,等待线程 里的 countDownLatch.await() 立即退出,继续执行下面的代码。
  • 在 等待线程 里调用 countDownLatch.await() 方法,进入等待状态,直到计数值变成 0;

    当 其他线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时,等待线程 里的 countDownLatch.await() 立即退出,继续执行下面的代码。

    实现代码如下:

    
    private static void runDAfterABC() {
        int worker = 3;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(worker);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("D is waiting for other three threads");
                try {
                    countDownLatch.await();
                    System.out.println("All done, D starts working");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        for (char threadName='A'; threadName = 'C'; threadName++) {
            final String tN = String.valueOf(threadName);
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(tN + " is working");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(tN + " finished");
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
    }
    

    下面是运行结果:

    D is waiting for other three threads A is working B is working C is working

    A finished C finished B finished All done, D starts working

    其实简单点来说,CountDownLatch 就是一个倒计数器,我们把初始计数值设置为3,当 D 运行时,先调用 countDownLatch.await() 检查计数器值是否为 0,若不为 0 则保持等待状态;当A B C 各自运行完后都会利用countDownLatch.countDown(),将倒计数器减 1,当三个都运行完后,计数器被减至 0;此时立即触发 D 的 await() 运行结束,继续向下执行。

    因此,CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的情况。

    三个运动员各自准备,等到三个人都准备好后,再一起跑

    上面是一个形象的比喻,针对 线程 A B C 各自开始准备,直到三者都准备完毕,然后再同时运行 。也就是要实现一种 线程之间互相等待 的效果,那应该怎么来实现呢?

    上面的 CountDownLatch 可以用来倒计数,但当计数完毕,只有一个线程的 await() 会得到响应,无法让多个线程同时触发。

    为了实现线程间互相等待这种需求,我们可以利用 CyclicBarrier 数据结构,它的基本用法是:

  • 先创建一个公共 CyclicBarrier 对象,设置 同时等待 的线程数,CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
  • 这些线程同时开始自己做准备,自身准备完毕后,需要等待别人准备完毕,这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人;
  • 当指定的 同时等待 的线程数都调用了 cyclicBarrier.await();时,意味着这些线程都准备完毕好,然后这些线程才 同时继续执行。
  • 这些线程同时开始自己做准备,自身准备完毕后,需要等待别人准备完毕,这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人;

    实现代码如下,设想有三个跑步运动员,各自准备好后等待其他人,全部准备好后才开始跑:

    
    private static void runABCWhenAllReady() {
        int runner = 3;
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(runner);
        final Random random = new Random();
        for (char runnerName='A'; runnerName = 'C'; runnerName++) {
            final String rN = String.valueOf(runnerName);
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    long prepareTime = random.nextInt(10000) + 100;
                    System.out.println(rN + " is preparing for time: " + prepareTime);
                    try {
                        Thread.sleep(prepareTime);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    try {
                        System.out.println(rN + " is prepared, waiting for others");
                        cyclicBarrier.await(); // 当前运动员准备完毕,等待别人准备好
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(rN + " starts running"); // 所有运动员都准备好了,一起开始跑
                }
            }).start();
        }
    }
    

    打印的结果如下:

    A is preparing for time: 4131 B is preparing for time: 6349 C is preparing for time: 8206 A is prepared, waiting for others B is prepared, waiting for others C is prepared, waiting for others C starts running A starts running B starts running

    子线程完成某件任务后,把得到的结果回传给主线程

    实际的开发中,我们经常要创建子线程来做一些耗时任务,然后把任务执行结果回传给主线程使用,这种情况在 Java 里要如何实现呢?

    回顾线程的创建,我们一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义如下:

    
    public interface Runnable {
        public abstract void run();
    }
    

    可以看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢?这里可以利用另一个类似的接口类 Callable:

    
    @FunctionalInterface
    public interface CallableV {
        /**
         * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
         *
         * @return computed result
         * @throws Exception if unable to compute a result
         */
        V call() throws Exception;
    }
    

    可以看出 Callable 最大区别就是返回范型 V 结果。

    那么下一个问题就是,如何把子线程的结果回传回来呢?在 Java 里,有一个类是配合 Callable 使用的:FutureTask,不过注意,它获取结果的 get 方法会阻塞主线程。

    举例,我们想让子线程去计算从 1 加到 100,并把算出的结果返回到主线程。

    
    private static void doTaskWithResultInWorker() {
        CallableInteger callable = new CallableInteger() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                System.out.println("Task starts");
                Thread.sleep(1000);
                int result = 0;
                for (int i=0; i=100; i++) {
                    result += i;
                }
                System.out.println("Task finished and return result");
                return result;
            }
        };
        FutureTaskInteger futureTask = new FutureTask(callable);
        new Thread(futureTask).start();
        try {
            System.out.println("Before futureTask.get()");
            System.out.println("Result: " + futureTask.get());
            System.out.println("After futureTask.get()");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    

    打印结果如下:

    Before futureTask.get() Task starts Task finished and return result Result: 5050 After futureTask.get()

    可以看到,主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程;然后 Callable 内部开始执行,并返回运算结果;此时 futureTask.get() 得到结果,主线程恢复运行。

    这里我们可以学到,通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果,只不过需要阻塞主线程。当然,如果不希望阻塞主线程,可以考虑利用 ExecutorService,把 FutureTask 放到线程池去管理执行。

    小结

    多线程是现代语言的共同特性,而线程间通信、线程同步、线程安全是很重要的话题。本文针对 Java 的线程间通信进行了大致的讲解,后续还会对线程同步、线程安全进行讲解。

    作者:wingjay
    来源:http://wingjay.com

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