Java 里如何实现线程间通信（转载）

出处：http://www.importnew.com/26850.html

正常情况下，每个子线程完成各自的任务就可以结束了。不过有的时候，我们希望多个线程协同工作来完成某个任务，这时就涉及到了线程间通信了。

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

下面我从几个例子作为切入点来讲解下 Java 里有哪些方法来实现线程间通信。

• 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，而且 A B C 是同步运行的
• 三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
• 子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程

先给出关键词的结论：

　wait()、notify()、notifyAll()  这三个方法都是java.lang.Object的方法。 协调多个线程对共享数据的存取，所以必须在synchronized语句块内使用

　sleep()、join()、yield()  Thread类的方法

1. sleep() 使线程休眠一段时间，一段时间结束后，线程进入可执行状态，但并不是立即执行，只是在被排程器调用的时候才执行。在休眠期间，并不释放所持有的“锁”；

2. wait()  wait 与 notify/notifyAll 方法必须在同步代码块中使用，即要先对调用对象加锁，当线程执行wait()时，会把当前的锁释放，然后让出CPU，进入等待状态。 使线程休眠一段时间，若设置参数，时间到时，线程就自动进入可执行状态。若没有，则需要notify()、notifyAll()方法去调用。

3. yield() 使线程放弃执行的权利，进入可执行状态，也就意味着线程在yield()方法后，有可能又执行。使用yield()方法，线程并不释放自己锁持有的“锁”。

4：join() Thread类中的join()的主要作用就是同步，它可以使得线程之间的并行执行变为串行执行。join()方法使调用该方法的线程在此之前执行完毕，也就是等待 该方法的线程执行完毕后 再往下继续执行

5: notify/notifyAll 当执行notify/notifyAll方法时，会唤醒一个处于等待该 对象锁 的线程，然后继续往下执行，直到执行完退出对象锁锁住的区域（synchronized修饰的代码块）后再释放锁。

举一个wait()和notify()交互的实例：

public class SynDemo {

    private Object lock;

    public SynDemo(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    public void test1(){
        synchronized (lock){
            System.out.println("test1 is running1");
            try {
                Thread.sleep(2000);
                lock.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("test1 is running2");

        }
    }

    public void test2() {
        synchronized (lock){
            System.out.println("test2 is running1");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            lock.notify();
            System.out.println("test2 is running2");
        }
    }

}

调用：

　　　　  Object lock = new Object();

        Thread third = new Thread(()->{
            SynDemo demo =  new SynDemo(lock);
            demo.test1();

        });
        third.start();
        Thread five = new Thread(()->{
            SynDemo demo =  new SynDemo(lock);
            demo.test2();

        });
        five.start();

        console打印结果：
        test1 is running1
        test2 is running1
        test2 is running2
        test1 is running2

分析：

　　线程third 中调用test1方法，首先获得同步锁，然后休眠了2秒，这个时候还占用着同步锁，之后调用wait，释放同步锁，线程five中的test2获得同步锁，调用lock.notify();唤醒线程third，但是five并没有释放锁，而是等在执行完之后，third才获得锁。由此可见调用了notify之后，并不会释放锁，只是唤醒被wait的线程而已。
　　notify（）和notifyAll的区别是，notify只会随机的唤醒一个线程，notifyAll唤醒全部wait的线程，所以在实际使用的时候尽量使用notifyAll。

 

举例分析join()方法： Java线程中的join的意义在于等我执行完你在执行。

回到之前提到的问题： 如何让两个线程依次执行？

假设有两个线程，一个是线程 A，另一个是线程 B，两个线程分别依次打印 1-3 三个数字即可。我们来看下代码：

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) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：

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);
    }
}

这时我们console得到的结果是：

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 是同时打印的。那么，如果我们希望 B 在 A 全部打印 完后再开始打印呢？我们可以利用 thread.join() 方法，代码如下:

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

得到的结果如下：　　

B 开始等待 A

A print: 1

A print: 2

A print: 3

 

B print: 1

B print: 2

B print: 3

所以我们能看到 A.join() 方法会让 B 一直等待直到 A 运行完毕。

实现目标：那如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？

还是上面那个例子，我现在希望 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() 已经不能满足了。我们需要更细粒度的锁来控制执行顺序。

这里，我们可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下：

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();
}

打印结果如下：

A 1

A waiting…

 

B 1

B 2

B 3

A 2

A 3

正是我们要的结果。

那么，这个过程发生了什么呢？

1.  首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
2.  当 A 得到锁后，先打印 1，然后调用 lock.wait() 方法，交出锁的控制权，进入 wait 状态；
3.  对 B 而言，由于 A 最开始得到了锁，导致 B 无法执行；直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后， B 才得到了锁；
4.  B 在得到锁后打印 1， 2， 3；然后调用 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。

实现目标：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，而且 A B C 是同步运行的.

最开始我们介绍了 thread.join()，可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行，那我们可以在 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，而我们要的是这三者能同步运行。

或者说，我们希望达到的目的是：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。针对这种情况，我们可以利用 CountdownLatch 来实现这类通信方式。它的基本用法是：

1. 创建一个计数器，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 其他线程 里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减小 1；
4. 当 其他线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时，等待线程 里的 countDownLatch.await() 立即退出，继续执行下面的代码。

实现代码如下：

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

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

因此，CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的情况。

实现目标：三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑

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，然后再同时运行 。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 可以用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的 await() 会得到响应，无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，我们可以利用 CyclicBarrier 数据结构，它的基本用法是：

1. 先创建一个公共 CyclicBarrier 对象，设置 同时等待 的线程数，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
2. 这些线程同时开始自己做准备，自身准备完毕后，需要等待别人准备完毕，这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人；
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，然后这些线程才 同时继续执行。

实现代码如下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其他人，全部准备好后才开始跑：

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"); // 所有运动员都准备好了，一起开始跑
            }
        }).start();
    }
}

打印的结果如下：

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

实现目标：子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程

实际的开发中，我们经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在 Java 里要如何实现呢？

回顾线程的创建，我们一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义如下：

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

可以看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类 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;
}

可以看出 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，我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();
    }
}

打印结果如下：

Before futureTask.get()

 

Task starts

Task finished and return result

 

Result: 5050

After futureTask.get()

可以看到，主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程；然后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 futureTask.get() 得到结果，主线程恢复运行。

这里我们可以学到，通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到线程池去管理执行。