【转】Java里如何实现线程间通信

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。

本文涉及代码：

https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java

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

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：

 1 private static void demo1() {
 2     Thread A = new Thread(new Runnable() {
 3         @Override
 4         public void run() {
 5             printNumber("A");
 6         }
 7     });
 8     Thread B = new Thread(new Runnable() {
 9         @Override
10         public void run() {
11             printNumber("B");
12         }
13     });
14     A.start();
15     B.start();
16 }

其中的 printNumber(String) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：

 1 private static void printNumber(String threadName) {
 2     int i=0;
 3     while (i++ < 3) {
 4         try {
 5             Thread.sleep(100);
 6         } catch (InterruptedException e) {
 7             e.printStackTrace();
 8         }
 9         System.out.println(threadName + "print:" + i);
10     }
11 }

这时我们得到的结果是：

1 B print: 1
2 A print: 1
3 B print: 2
4 A print: 2
5 B print: 3
6 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:

 1 private static void demo2() {
 2     Thread A = new Thread(new Runnable() {
 3         @Override
 4         public void run() {
 5             printNumber("A");
 6         }
 7     });
 8     Thread B = new Thread(new Runnable() {
 9         @Override
10         public void run() {
11             System.out.println("B 开始等待 A");
12             try {
13                 A.join();
14             } catch (InterruptedException e) {
15                 e.printStackTrace();
16             }
17             printNumber("B");
18         }
19     });
20     B.start();
21     A.start();
22 }

得到的结果如下：

1 B 开始等待 A
2 A print: 1
3 A print: 2
4 A print: 3
5  
6 B print: 1
7 B print: 2
8 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。

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：

 1 /**
 2  * A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
 3  */
 4 private static void demo3() {
 5     Object lock = new Object();
 6     Thread A = new Thread(new Runnable() {
 7         @Override
 8         public void run() {
 9             synchronized (lock) {
10                 System.out.println("A 1");
11                 try {
12                     lock.wait();
13                 } catch (InterruptedException e) {
14                     e.printStackTrace();
15                 }
16                 System.out.println("A 2");
17                 System.out.println("A 3");
18             }
19         }
20     });
21     Thread B = new Thread(new Runnable() {
22         @Override
23         public void run() {
24             synchronized (lock) {
25                 System.out.println("B 1");
26                 System.out.println("B 2");
27                 System.out.println("B 3");
28                 lock.notify();
29             }
30         }
31     });
32     A.start();
33     B.start();
34 }

打印结果如下：

1 A 1
2 A waiting…
3  
4 B 1
5 B 2
6 B 3
7 A 2
8 A 3

正是我们要的结果。

那么，这个过程发生了什么呢？

首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
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；
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；
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;
A 被唤醒后，继续打印剩下的 2，3。

为了更好理解，我在上面的代码里加上 log 方便读者查看。

 1 private static void demo3() {
 2     Object lock = new Object();
 3     Thread A = new Thread(new Runnable() {
 4         @Override
 5         public void run() {
 6             System.out.println("INFO: A 等待锁");
 7             synchronized (lock) {
 8                 System.out.println("INFO: A 得到了锁 lock");
 9                 System.out.println("A 1");
10                 try {
11                     System.out.println("INFO: A 准备进入等待状态，放弃锁 lock 的控制权");
12                     lock.wait();
13                 } catch (InterruptedException e) {
14                     e.printStackTrace();
15                 }
16                 System.out.println("INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock");
17                 System.out.println("A 2");
18                 System.out.println("A 3");
19             }
20         }
21     });
22     Thread B = new Thread(new Runnable() {
23         @Override
24         public void run() {
25             System.out.println("INFO: B 等待锁");
26             synchronized (lock) {
27                 System.out.println("INFO: B 得到了锁 lock");
28                 System.out.println("B 1");
29                 System.out.println("B 2");
30                 System.out.println("B 3");
31                 System.out.println("INFO: B 打印完毕，调用 notify 方法");
32                 lock.notify();
33             }
34         }
35     });
36     A.start();
37     B.start();
38 }

打印结果如下:

 1 INFO: A 等待锁
 2 INFO: A 得到了锁 lock
 3 A 1
 4 INFO: A 准备进入等待状态，调用 lock.wait() 放弃锁 lock 的控制权
 5 INFO: B 等待锁
 6 INFO: B 得到了锁 lock
 7 B 1
 8 B 2
 9 B 3
10 INFO: B 打印完毕，调用 lock.notify() 方法
11 INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock
12 A 2
13 A 3

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：

创建一个计数器，设置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(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；
在其他线程里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减小 1；
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：

 1 private static void runDAfterABC() {
 2     int worker = 3;
 3     CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(worker);
 4     new Thread(new Runnable() {
 5         @Override
 6         public void run() {
 7             System.out.println("D is waiting for other three threads");
 8             try {
 9                 countDownLatch.await();
10                 System.out.println("All done, D starts working");
11             } catch (InterruptedException e) {
12                 e.printStackTrace();
13             }
14         }
15     }).start();
16     for (char threadName='A'; threadName <= 'C'; threadName++) {
17         final String tN = String.valueOf(threadName);
18         new Thread(new Runnable() {
19             @Override
20             public void run() {
21                 System.out.println(tN + "is working");
22                 try {
23                     Thread.sleep(100);
24                 } catch (Exception e) {
25                     e.printStackTrace();
26                 }
27                 System.out.println(tN + "finished");
28                 countDownLatch.countDown();
29             }
30         }).start();
31     }
32 }

下面是运行结果：

1 D is waiting for other three threads
2 A is working
3 B is working
4 C is working
5  
6 A finished
7 C finished
8 B finished
9 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。

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：

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);
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；
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：

 1 private static void runABCWhenAllReady() {
 2     int runner = 3;
 3     CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(runner);
 4     final Random random = new Random();
 5     for (char runnerName='A'; runnerName <= 'C'; runnerName++) {
 6         final String rN = String.valueOf(runnerName);
 7         new Thread(new Runnable() {
 8             @Override
 9             public void run() {
10                 long prepareTime = random.nextInt(10000) + 100;
11                 System.out.println(rN + "is preparing for time:" + prepareTime);
12                 try {
13                     Thread.sleep(prepareTime);
14                 } catch (Exception e) {
15                     e.printStackTrace();
16                 }
17                 try {
18                     System.out.println(rN + "is prepared, waiting for others");
19                     cyclicBarrier.await(); // 当前运动员准备完毕，等待别人准备好
20                 } catch (InterruptedException e) {
21                     e.printStackTrace();
22                 } catch (BrokenBarrierException e) {
23                     e.printStackTrace();
24                 }
25                 System.out.println(rN + "starts running"); // 所有运动员都准备好了，一起开始跑
26             }
27         }).start();
28     }
29 }

打印的结果如下：

 1 A is preparing for time: 4131
 2 B is preparing for time: 6349
 3 C is preparing for time: 8206
 4  
 5 A is prepared, waiting for others
 6  
 7 B is prepared, waiting for others
 8  
 9 C is prepared, waiting for others
10  
11 C starts running
12 A starts running
13 B starts running

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：

1 public interface Runnable {
2     public abstract void run();
3 }

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：

 1 @FunctionalInterface
 2 public interface Callable<V> {
 3     /**
 4      * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
 5      *
 6      * @return computed result
 7      * @throws Exception if unable to compute a result
 8      */
 9     V call() throws Exception;
10 }

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。

 1 private static void doTaskWithResultInWorker() {
 2     Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
 3         @Override
 4         public Integer call() throws Exception {
 5             System.out.println("Task starts");
 6             Thread.sleep(1000);
 7             int result = 0;
 8             for (int i=0; i<=100; i++) {
 9                 result += i;
10             }
11             System.out.println("Task finished and return result");
12             return result;
13         }
14     };
15     FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
16     new Thread(futureTask).start();
17     try {
18         System.out.println("Before futureTask.get()");
19         System.out.println("Result:" + futureTask.get());
20         System.out.println("After futureTask.get()");
21     } catch (InterruptedException e) {
22         e.printStackTrace();
23     } catch (ExecutionException e) {
24         e.printStackTrace();
25     }
26 }

打印结果如下：

1 Before futureTask.get()
2  
3 Task starts
4 Task finished and return result
5  
6 Result: 5050
7 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。

posted @ 2018-05-30 17:24 平凡21 阅读(532) 评论(0) 编辑收藏举报

刷新页面返回顶部

平凡21