Java 是如何實(shí)現(xiàn)線程間通信的？
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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。
thread.join(),
object.wait(),
object.notify(),
CountdownLatch,
CyclicBarrier,
FutureTask,
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。
如何讓兩個(gè)線程依次執(zhí)行？
那如何讓 兩個(gè)線程按照指定方式有序交叉運(yùn)行呢？
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
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
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() {public void run() {printNumber("A");}});Thread B = new Thread(new Runnable() {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() {@Overridepublic void run() {printNumber("A");}});Thread B = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("B 開始等待 A");try {A.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}printNumber("B");}});B.start();A.start();}
得到的結(jié)果如下：
B 開始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3B 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() {@Overridepublic 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() {@Overridepublic 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)過程發(fā)生了什么呢？
首先創(chuàng)建一個(gè) A 和 B 共享的對(duì)象鎖 lock = new Object();
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)；
對(duì) B 而言，由于 A 最開始得到了鎖，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；
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;
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() {@Overridepublic 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() {@Overridepublic 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：
創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)器，設(shè)置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(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；
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；
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() {@Overridepublic 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() {@Overridepublic 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 workingA 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：
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);
這些線程同時(shí)開始自己做準(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(); 即可開始等待別人；
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() {@Overridepublic 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：
@FunctionalInterfacepublic interface Callable{ /*** 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() {Callablecallable = new Callable () { @Overridepublic 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;}};FutureTaskfutureTask = 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 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。
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