Java 如何實現線程間通訊？

時間 2019-11-17

標籤 java 如何實現線程通訊欄目 Java 简体版

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正常狀況下，每一個子線程完成各自的任務就能夠結束了。不過有的時候，咱們但願多個線程協同工做來完成某個任務，這時就涉及到了線程間通訊了。java

本文涉及到的知識點：git

thread.join(),github
object.wait(),安全
object.notify(),數據結構
CountdownLatch,多線程
CyclicBarrier,dom
FutureTask,ide
Callable 。spa

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

下面我從幾個例子做爲切入點來說解下 Java 裏有哪些方法來實現線程間通訊。

如何讓兩個線程依次執行？
那如何讓兩個線程按照指定方式有序交叉運行呢？
四個線程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行，並且 A B C 是同步運行的
三個運動員各自準備，等到三我的都準備好後，再一塊兒跑
子線程完成某件任務後，把獲得的結果回傳給主線程

如何讓兩個線程依次執行？

假設有兩個線程，一個是線程 A，另外一個是線程 B，兩個線程分別依次打印 1-3 三個數字便可。咱們來看下代碼：

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) 實現以下，用來依次打印 1, 2, 3 三個數字：

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); } }

這時咱們獲得的結果是：

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

能夠看到 A 和 B 是同時打印的。

那麼，若是咱們但願 B 在 A 所有打印完後再開始打印呢？咱們能夠利用 thread.join() 方法，代碼以下:

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

獲得的結果以下：

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

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

因此咱們能看到 A.join() 方法會讓 B 一直等待直到 A 運行完畢。

那如何讓兩個線程按照指定方式有序交叉運行呢？

仍是上面那個例子，我如今但願 A 在打印完 1 後，再讓 B 打印 1, 2, 3，最後再回到 A 繼續打印 2, 3。這種需求下，顯然 Thread.join() 已經不能知足了。咱們須要更細粒度的鎖來控制執行順序。

這裏，咱們能夠利用 object.wait() 和 object.notify() 兩個方法來實現。代碼以下：

/** * 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(); }

打印結果以下：

A 1
A waiting…

B 1
B 2
B 3
A 2
A 3

正是咱們要的結果。

那麼，這個過程發生了什麼呢？

首先建立一個 A 和 B 共享的對象鎖 lock = new Object();
當 A 獲得鎖後，先打印 1，而後調用 lock.wait() 方法，交出鎖的控制權，進入 wait 狀態；
對 B 而言，因爲 A 最開始獲得了鎖，致使 B 沒法執行；直到 A 調用 lock.wait() 釋放控制權後， B 才獲得了鎖；
B 在獲得鎖後打印 1， 2， 3；而後調用 lock.notify() 方法，喚醒正在 wait 的 A;
A 被喚醒後，繼續打印剩下的 2，3。

爲了更好理解，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 獲得了鎖 lock"); System.out.println("A 1"); try { System.out.println("INFO: A 準備進入等待狀態，放棄鎖 lock 的控制權 "); lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("INFO: 有人喚醒了 A, A 從新得到鎖 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 獲得了鎖 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，調用 notify 方法 "); lock.notify(); } } }); A.start(); B.start(); }

打印結果以下:

INFO: A 等待鎖
INFO: A 獲得了鎖 lock
A 1
INFO: A 準備進入等待狀態，調用 lock.wait() 放棄鎖 lock 的控制權
INFO: B 等待鎖
INFO: B 獲得了鎖 lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B 打印完畢，調用 lock.notify() 方法
INFO: 有人喚醒了 A, A 從新得到鎖 lock
A 2
A 3

四個線程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行，並且 A B C 是同步運行的

最開始咱們介紹了 thread.join()，可讓一個線程等另外一個線程運行完畢後再繼續執行，那咱們能夠在 D 線程裏依次 join A B C，不過這也就使得 A B C 必須依次執行，而咱們要的是這三者能同步運行。

或者說，咱們但願達到的目的是：A B C 三個線程同時運行，各自獨立運行完後通知 D；對 D 而言，只要 A B C 都運行完了，D 再開始運行。針對這種狀況，咱們能夠利用 CountdownLatch 來實現這類通訊方式。它的基本用法是：

建立一個計數器，設置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
在等待線程裏調用 countDownLatch.await() 方法，進入等待狀態，直到計數值變成 0；
在其餘線程裏，調用 countDownLatch.countDown() 方法，該方法會將計數值減少 1；
當其餘線程的 countDown() 方法把計數值變成 0 時，等待線程裏的 countDownLatch.await() 當即退出，繼續執行下面的代碼。

實現代碼以下：

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(); } }

下面是運行結果：

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

其實簡單點來講，CountDownLatch 就是一個倒計數器，咱們把初始計數值設置爲3，當 D 運行時，先調用 countDownLatch.await() 檢查計數器值是否爲 0，若不爲 0 則保持等待狀態；當A B C 各自運行完後都會利用countDownLatch.countDown()，將倒計數器減 1，當三個都運行完後，計數器被減至 0；此時當即觸發 D 的 await() 運行結束，繼續向下執行。

所以，CountDownLatch 適用於一個線程去等待多個線程的狀況。

三個運動員各自準備，等到三我的都準備好後，再一塊兒跑

上面是一個形象的比喻，針對線程 A B C 各自開始準備，直到三者都準備完畢，而後再同時運行。也就是要實現一種線程之間互相等待的效果，那應該怎麼來實現呢？

上面的 CountDownLatch 能夠用來倒計數，但當計數完畢，只有一個線程的 await() 會獲得響應，沒法讓多個線程同時觸發。

爲了實現線程間互相等待這種需求，咱們能夠利用 CyclicBarrier 數據結構，它的基本用法是：

先建立一個公共 CyclicBarrier 對象，設置同時等待的線程數，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
這些線程同時開始本身作準備，自身準備完畢後，須要等待別人準備完畢，這時調用 cyclicBarrier.await(); 便可開始等待別人；
當指定的同時等待的線程數都調用了 cyclicBarrier.await();時，意味着這些線程都準備完畢好，而後這些線程才同時繼續執行。

實現代碼以下，設想有三個跑步運動員，各自準備好後等待其餘人，所有準備好後纔開始跑：

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() { @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(); // 當前運動員準備完畢，等待別人準備好 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (BrokenBarrierException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(rN + " starts running"); // 全部運動員都準備好了，一塊兒開始跑 } }).start(); } }

打印的結果以下：

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

子線程完成某件任務後，把獲得的結果回傳給主線程

實際的開發中，咱們常常要建立子線程來作一些耗時任務，而後把任務執行結果回傳給主線程使用，這種狀況在 Java 裏要如何實現呢？

回顧線程的建立，咱們通常會把 Runnable 對象傳給 Thread 去執行。Runnable定義以下：

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

能夠看到 run() 在執行完後不會返回任何結果。那若是但願返回結果呢？這裏能夠利用另外一個相似的接口類 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; }

能夠看出 Callable 最大區別就是返回範型 V 結果。

那麼下一個問題就是，如何把子線程的結果回傳回來呢？在 Java 裏，有一個類是配合 Callable 使用的：FutureTask，不過注意，它獲取結果的 get 方法會阻塞主線程。

舉例，咱們想讓子線程去計算從 1 加到 100，並把算出的結果返回到主線程。

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(); } }