面試必問(wèn)：Java 是如何實(shí)現(xiàn)線程間通信的？

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)類似的接口類 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<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。

來(lái)源：blog.csdn.net/lanxian837820149/article/details/101479004

最近給大家找了  Vue進(jìn)階

資源，怎么領(lǐng)取？

掃二維碼，加我微信，回復(fù)：Vue進(jìn)階
 注意，不要亂回復(fù) 

沒(méi)錯(cuò)，不是機(jī)器人
記得一定要等待，等待才有好東西