Java里如何实现线程间通讯？

时间  2019-11-12
标签 java 如何 实现 线程 通讯 栏目 Java 繁體版
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正常状况下，每一个子线程完成各自的任务就能够结束了。不过有的时候，咱们但愿多个线程协同工做来完成某个任务，这时就涉及到了线程间通讯了。java

本文涉及到的知识点：thread.join(), object.wait(), object.notify(), CountdownLatch, CyclicBarrier, FutureTask, Callable 等。git

本文涉及代码：github

https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java安全

下面我从几个例子做为切入点来说解下 Java 里有哪些方法来实现线程间通讯。数据结构

  • 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，并且 A B C 是同步运行的
  • 三个运动员各自准备，等到三我的都准备好后，再一块儿跑
  • 子线程完成某件任务后，把获得的结果回传给主线程

如何让两个线程依次执行？

假设有两个线程，一个是线程 A，另外一个是线程 B，两个线程分别依次打印 1-3 三个数字便可。咱们来看下代码：多线程

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) 实现以下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：dom

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);
    }
}

这时咱们获得的结果是：ide

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

能够看到 A 和 B 是同时打印的。线程

那么，若是咱们但愿 B 在 A 所有打印 完后再开始打印呢？咱们能够利用 thread.join() 方法，代码以下:

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();
}

获得的结果以下：

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

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

因此咱们能看到 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？

仍是上面那个例子，我如今但愿 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() 已经不能知足了。咱们须要更细粒度的锁来控制执行顺序。

这里，咱们能够利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码以下：

/**
 * 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();
}

打印结果以下：

A 1
A waiting…

B 1
B 2
B 3
A 2
A 3

正是咱们要的结果。

那么，这个过程发生了什么呢？

  1. 首先建立一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
  2. 当 A 获得锁后，先打印 1，而后调用 lock.wait() 方法，交出锁的控制权，进入 wait 状态；
  3. 对 B 而言，因为 A 最开始获得了锁，致使 B 没法执行；直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后， B 才获得了锁；
  4. B 在获得锁后打印 1， 2， 3；而后调用 lock.notify() 方法，唤醒正在 wait 的 A;
  5. A 被唤醒后，继续打印剩下的 2，3。

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 获得了锁 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 从新得到锁 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 获得了锁 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();
}

打印结果以下:

INFO: A 等待锁
INFO: A 获得了锁 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 获得了锁 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 从新得到锁 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，并且 A B C 是同步运行的

最开始咱们介绍了 thread.join()，可让一个线程等另外一个线程运行完毕后再继续执行，那咱们能够在 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，而咱们要的是这三者能同步运行。

或者说，咱们但愿达到的目的是：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。针对这种状况，咱们能够利用 CountdownLatch 来实现这类通讯方式。它的基本用法是：

  1. 建立一个计数器，设置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
  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；
  3. 在 其余线程 里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减少 1；
  4. 当 其余线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时，等待线程 里的 countDownLatch.await() 当即退出，继续执行下面的代码。

实现代码以下：

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

其实简单点来讲，CountDownLatch 就是一个倒计数器，咱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；此时当即触发 D 的 await() 运行结束，继续向下执行。

所以，CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的状况。

三个运动员各自准备，等到三我的都准备好后，再一块儿跑

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，而后再同时运行 。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 能够用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的 await() 会获得响应，没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，咱们能够利用 CyclicBarrier 数据结构，它的基本用法是：

  1. 先建立一个公共 CyclicBarrier 对象，设置 同时等待 的线程数，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
  2. 这些线程同时开始本身作准备，自身准备完毕后，须要等待别人准备完毕，这时调用 cyclicBarrier.await(); 便可开始等待别人；
  3. 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，而后这些线程才 同时继续执行。

实现代码以下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其余人，所有准备好后才开始跑：

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"); // 全部运动员都准备好了，一块儿开始跑
            }
        }).start();
    }
}

打印的结果以下：

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，把获得的结果回传给主线程

实际的开发中，咱们常常要建立子线程来作一些耗时任务，而后把任务执行结果回传给主线程使用，这种状况在 Java 里要如何实现呢？

回顾线程的建立，咱们通常会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义以下：

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

能够看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那若是但愿返回结果呢？这里能够利用另外一个相似的接口类 Callable：

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * 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;
}

能够看出 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，咱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() {
    Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
        @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;
        }
    };
    FutureTask<Integer> 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();
    }
}

打印结果以下：

Before futureTask.get()

Task starts
Task finished and return result

Result: 5050
After futureTask.get()

能够看到，主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程；而后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 futureTask.get() 获得结果，主线程恢复运行。

这里咱们能够学到，经过 FutureTask 和 Callable 能够直接在主线程得到子线程的运算结果，只不过须要阻塞主线程。固然，若是不但愿阻塞主线程，能够考虑利用 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，而线程间通讯、线程同步、线程安全是很重要的话题。本文针对 Java 的线程间通讯进行了大体的讲解，后续还会对线程同步、线程安全进行讲解。

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