【143期】你知道 Java 是如何實(shí)現(xiàn)線程間通信的嗎？

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作者：wingjay
來(lái)源：http://wingjay.com

正常情況下，每個(gè)子線程完成各自的任務(wù)就可以結(jié)束了。不過(guò)有的時(shí)候，我們希望多個(gè)線程協(xié)同工作來(lái)完成某個(gè)任務(wù)，這時(shí)就涉及到了線程間通信了。

本文涉及到的知識(shí)點(diǎn)：

1. thread.join(),

2. object.wait(),

3. object.notify(),

4. CountdownLatch,

5. CyclicBarrier,

6. FutureTask,

7. Callable 。

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

下面我從幾個(gè)例子作為切入點(diǎn)來(lái)講解下 Java 里有哪些方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間通信。

1. 如何讓兩個(gè)線程依次執(zhí)行？

2. 那如何讓 兩個(gè)線程按照指定方式有序交叉運(yùn)行呢？

3. 四個(gè)線程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執(zhí)行完畢后才執(zhí)行，而且 A B C 是同步運(yùn)行的

4. 三個(gè)運(yùn)動(dòng)員各自準(zhǔn)備，等到三個(gè)人都準(zhǔn)備好后，再一起跑

5. 子線程完成某件任務(wù)后，把得到的結(jié)果回傳給主線程

如何讓兩個(gè)線程依次執(zhí)行？

假設(shè)有兩個(gè)線程，一個(gè)是線程 A，另一個(gè)是線程 B，兩個(gè)線程分別依次打印 1-3 三個(gè)數(shù)字即可。我們來(lái)看下代碼：

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) 實(shí)現(xiàn)如下，用來(lái)依次打印 1, 2, 3 三個(gè)數(shù)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);
????}
}

這時(shí)我們得到的結(jié)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 是同時(shí)打印的。

那么，如果我們希望 B 在 A 全部打印 完后再開(kāi)始打印呢？我們可以利用 thread.join() 方法，代碼如下:

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?開(kāi)始等待?A");
????????????try?{
????????????????A.join();
????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????e.printStackTrace();
????????????}
????????????printNumber("B");
????????}
????});
????B.start();
????A.start();
}

得到的結(jié)果如下：

B 開(kāi)始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3

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

所以我們能看到 A.join() 方法會(huì)讓 B 一直等待直到 A 運(yùn)行完畢。

那如何讓 兩個(gè)線程按照指定方式有序交叉運(yùn)行呢？

還是上面那個(gè)例子，我現(xiàn)在希望 A 在打印完 1 后，再讓 B 打印 1, 2, 3，最后再回到 A 繼續(xù)打印 2, 3。這種需求下，顯然 Thread.join() 已經(jīng)不能滿足了。我們需要更細(xì)粒度的鎖來(lái)控制執(zhí)行順序。

這里，我們可以利用 object.wait() 和 object.notify() 兩個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。代碼如下：

/**
?*?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();
}

打印結(jié)果如下：

A 1
A waiting…

B 1
B 2
B 3
A 2
A 3

正是我們要的結(jié)果。

那么，這個(gè)過(guò)程發(fā)生了什么呢？

1. 首先創(chuàng)建一個(gè) A 和 B 共享的對(duì)象鎖 lock = new Object();

2. 當(dāng) A 得到鎖后，先打印 1，然后調(diào)用 lock.wait() 方法，交出鎖的控制權(quán)，進(jìn)入 wait 狀態(tài)；

3. 對(duì) B 而言，由于 A 最開(kāi)始得到了鎖，導(dǎo)致 B 無(wú)法執(zhí)行；直到 A 調(diào)用 lock.wait() 釋放控制權(quán)后， B 才得到了鎖；

4. B 在得到鎖后打印 1， 2， 3；然后調(diào)用 lock.notify() 方法，喚醒正在 wait 的 A;

5. A 被喚醒后，繼續(xù)打印剩下的 2，3。

為了更好理解，我在上面的代碼里加上 log 方便讀者查看。

private?static?void?demo3()?{
????Object?lock?=?new?Object();
????Thread?A?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????@Override
????????public?void?run()?{
????????????System.out.println("INFO:?A?等待鎖?");
????????????synchronized?(lock)?{
????????????????System.out.println("INFO:?A?得到了鎖?lock");
????????????????System.out.println("A?1");
????????????????try?{
????????????????????System.out.println("INFO:?A?準(zhǔn)備進(jìn)入等待狀態(tài)，放棄鎖?lock?的控制權(quán)?");
????????????????????lock.wait();
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}
????????????????System.out.println("INFO:?有人喚醒了?A,?A?重新獲得鎖?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?等待鎖?");
????????????synchronized?(lock)?{
????????????????System.out.println("INFO:?B?得到了鎖?lock");
????????????????System.out.println("B?1");
????????????????System.out.println("B?2");
????????????????System.out.println("B?3");
????????????????System.out.println("INFO:?B?打印完畢，調(diào)用?notify?方法?");
????????????????lock.notify();
????????????}
????????}
????});
????A.start();
????B.start();
}

打印結(jié)果如下:

INFO: A 等待鎖
INFO: A 得到了鎖 lock
A 1
INFO: A 準(zhǔn)備進(jìn)入等待狀態(tài)，調(diào)用 lock.wait() 放棄鎖 lock 的控制權(quán)
INFO: B 等待鎖
INFO: B 得到了鎖 lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B 打印完畢，調(diào)用 lock.notify() 方法
INFO: 有人喚醒了 A, A 重新獲得鎖 lock
A 2
A 3

四個(gè)線程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執(zhí)行完畢后才執(zhí)行，而且 A B C 是同步運(yùn)行的

最開(kāi)始我們介紹了 thread.join()，可以讓一個(gè)線程等另一個(gè)線程運(yùn)行完畢后再繼續(xù)執(zhí)行，那我們可以在 D 線程里依次 join A B C，不過(guò)這也就使得 A B C 必須依次執(zhí)行，而我們要的是這三者能同步運(yùn)行。

或者說(shuō)，我們希望達(dá)到的目的是：A B C 三個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，各自獨(dú)立運(yùn)行完后通知 D；對(duì) D 而言，只要 A B C 都運(yùn)行完了，D 再開(kāi)始運(yùn)行。針對(duì)這種情況，我們可以利用 CountdownLatch 來(lái)實(shí)現(xiàn)這類(lèi)通信方式。它的基本用法是：

1. 創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)器，設(shè)置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);

2. 在 等待線程 里調(diào)用 countDownLatch.await() 方法，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到計(jì)數(shù)值變成 0；

3. 在 其他線程 里，調(diào)用 countDownLatch.countDown() 方法，該方法會(huì)將計(jì)數(shù)值減小 1；

4. 當(dāng) 其他線程 的 countDown() 方法把計(jì)數(shù)值變成 0 時(shí)，等待線程 里的 countDownLatch.await() 立即退出，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼。

實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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();
????}
}

下面是運(yùn)行結(jié)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

其實(shí)簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，CountDownLatch 就是一個(gè)倒計(jì)數(shù)器，我們把初始計(jì)數(shù)值設(shè)置為3，當(dāng) D 運(yùn)行時(shí)，先調(diào)用 countDownLatch.await() 檢查計(jì)數(shù)器值是否為 0，若不為 0 則保持等待狀態(tài)；當(dāng)A B C 各自運(yùn)行完后都會(huì)利用countDownLatch.countDown()，將倒計(jì)數(shù)器減 1，當(dāng)三個(gè)都運(yùn)行完后，計(jì)數(shù)器被減至 0；此時(shí)立即觸發(fā) D 的 await() 運(yùn)行結(jié)束，繼續(xù)向下執(zhí)行。

因此，CountDownLatch 適用于一個(gè)線程去等待多個(gè)線程的情況。

三個(gè)運(yùn)動(dòng)員各自準(zhǔn)備，等到三個(gè)人都準(zhǔn)備好后，再一起跑

上面是一個(gè)形象的比喻，針對(duì) 線程 A B C 各自開(kāi)始準(zhǔn)備，直到三者都準(zhǔn)備完畢，然后再同時(shí)運(yùn)行 。也就是要實(shí)現(xiàn)一種 線程之間互相等待 的效果，那應(yīng)該怎么來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？

上面的 CountDownLatch 可以用來(lái)倒計(jì)數(shù)，但當(dāng)計(jì)數(shù)完畢，只有一個(gè)線程的 await() 會(huì)得到響應(yīng)，無(wú)法讓多個(gè)線程同時(shí)觸發(fā)。

為了實(shí)現(xiàn)線程間互相等待這種需求，我們可以利用 CyclicBarrier 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的基本用法是：

1. 先創(chuàng)建一個(gè)公共 CyclicBarrier 對(duì)象，設(shè)置 同時(shí)等待 的線程數(shù)，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);

2. 這些線程同時(shí)開(kāi)始自己做準(zhǔn)備，自身準(zhǔn)備完畢后，需要等待別人準(zhǔn)備完畢，這時(shí)調(diào)用 cyclicBarrier.await(); 即可開(kāi)始等待別人；

3. 當(dāng)指定的 同時(shí)等待 的線程數(shù)都調(diào)用了 cyclicBarrier.await();時(shí)，意味著這些線程都準(zhǔn)備完畢好，然后這些線程才 同時(shí)繼續(xù)執(zhí)行。

實(shí)現(xiàn)代碼如下，設(shè)想有三個(gè)跑步運(yùn)動(dòng)員，各自準(zhǔn)備好后等待其他人，全部準(zhǔn)備好后才開(kāi)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();?//?當(dāng)前運(yùn)動(dòng)員準(zhǔn)備完畢，等待別人準(zhǔn)備好
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}?catch?(BrokenBarrierException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}
????????????????System.out.println(rN?+?"?starts?running");?//?所有運(yùn)動(dòng)員都準(zhǔn)備好了，一起開(kāi)始跑
????????????}
????????}).start();
????}
}

打印的結(jié)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

子線程完成某件任務(wù)后，把得到的結(jié)果回傳給主線程

實(shí)際的開(kāi)發(fā)中，我們經(jīng)常要?jiǎng)?chuàng)建子線程來(lái)做一些耗時(shí)任務(wù)，然后把任務(wù)執(zhí)行結(jié)果回傳給主線程使用，這種情況在 Java 里要如何實(shí)現(xiàn)呢？

回顧線程的創(chuàng)建，我們一般會(huì)把 Runnable 對(duì)象傳給 Thread 去執(zhí)行。Runnable定義如下：

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

可以看到 run() 在執(zhí)行完后不會(huì)返回任何結(jié)果。那如果希望返回結(jié)果呢？這里可以利用另一個(gè)類(lèi)似的接口類(lèi) 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;
}

可以看出 Callable 最大區(qū)別就是返回范型 V 結(jié)果。

那么下一個(gè)問(wèn)題就是，如何把子線程的結(jié)果回傳回來(lái)呢？在 Java 里，有一個(gè)類(lèi)是配合 Callable 使用的：FutureTask，不過(guò)注意，它獲取結(jié)果的 get 方法會(huì)阻塞主線程。

舉例，我們想讓子線程去計(jì)算從 1 加到 100，并把算出的結(jié)果返回到主線程。

private?static?void?doTaskWithResultInWorker()?{
????Callable?callable?=?new?Callable()?{
????????@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?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();
????}
}

打印結(jié)果如下：

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

可以看到，主線程調(diào)用 futureTask.get() 方法時(shí)阻塞主線程；然后 Callable 內(nèi)部開(kāi)始執(zhí)行，并返回運(yùn)算結(jié)果；此時(shí) futureTask.get() 得到結(jié)果，主線程恢復(fù)運(yùn)行。

這里我們可以學(xué)到，通過(guò) FutureTask 和 Callable 可以直接在主線程獲得子線程的運(yùn)算結(jié)果，只不過(guò)需要阻塞主線程。當(dāng)然，如果不希望阻塞主線程，可以考慮利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到線程池去管理執(zhí)行。

小結(jié)

多線程是現(xiàn)代語(yǔ)言的共同特性，而線程間通信、線程同步、線程安全是很重要的話題。本文針對(duì) Java 的線程間通信進(jìn)行了大致的講解，后續(xù)還會(huì)對(duì)線程同步、線程安全進(jìn)行講解。

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