线程间通信的几种实现方式

首先，要线程间通信的模型有两种：共享内存和消息传递，以下方式都是基本这两种模型来实现的。我们来基本一道面试常见的题目来分析：
题目：有两个线程A、B，A线程向一个集合里面依次添加元素"abc"字符串，一共添加十次，当添加到第五次的时候，希望B线程能够收到A线程的通知，然后B线程执行相关的业务操作。

方式一：使用 volatile 关键字

基于 volatile 关键字来实现线程间相互通信是使用共享内存的思想，大致意思就是多个线程同时监听一个变量，当这个变量发生变化的时候，线程能够感知并执行相应的业务。这也是最简单的一种实现方式

public class TestSync {
    // 定义一个共享变量来实现通信，它需要是volatile修饰，否则线程不能及时感知
    static volatile boolean notice = false;

    public static void main(String[] args) {
        List<String>  list = new ArrayList<>();
        // 实现线程A
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                list.add("abc");
                System.out.println("线程A向list中添加一个元素，此时list中的元素个数为：" + list.size());
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (list.size() == 5)
                    notice = true;
            }
        });
        // 实现线程B
        Thread threadB = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (notice) {
                    System.out.println("线程B收到通知，开始执行自己的业务...");
                    break;
                }
            }
        });
        //　需要先启动线程B
        threadB.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 再启动线程A
        threadA.start();
    }
}

运行结果为：

方式二：使用Object类的wait() 和 notify() 方法

众所周知，Object类提供了线程间通信的方法：wait()、notify()、notifyaAl()，它们是多线程通信的基础，而这种实现方式的思想自然是线程间通信。

注意： wait和 notify必须配合synchronized使用，wait方法释放锁，notify方法不释放锁

有一些需要注意:

wait() 、nofify() 、nofityAll() 调用的前提都是获得了对象的锁(也可称为对象监视器)。
调用 wait() 方法后线程会释放锁，进入 WAITING 状态，该线程也会被移动到等待队列中。
调用 notify() 方法会将等待队列中的线程移动到同步队列中，线程状态也会更新为 BLOCKED
从 wait() 方法返回的前提是调用 notify() 方法的线程释放锁，wait() 方法的线程获得锁。

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        // 定义一个锁对象
        Object lock = new Object();
        List<String>  list = new ArrayList<>();
        // 实现线程A
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                    list.add("abc");
                    System.out.println("线程A向list中添加一个元素，此时list中的元素个数为：" + list.size());
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    if (list.size() == 5)
                        lock.notify();// 唤醒B线程
                }
            }
        });
        // 实现线程B
        Thread threadB = new Thread(() -> {
            while (true) {
                synchronized (lock) {
                    if (list.size() != 5) {
                        try {
                            lock.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println("线程B收到通知，开始执行自己的业务...");
                }
            }
        });
        //　需要先启动线程B
        threadB.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 再启动线程A
        threadA.start();
    }
}

运行结果为
由打印结果截图可知，在线程A发出notify()唤醒通知之后，依然是走完了自己线程的业务之后，线程B才开始执行，这也正好说明了，notify()方法不释放锁，而wait()方法释放锁。

方式三：使用JUC工具类 CountDownLatch

jdk1.5之后在java.util.concurrent包下提供了很多并发编程相关的工具类，简化了我们的并发编程代码的书写，***CountDownLatch***基于AQS框架，相当于也是维护了一个线程间共享变量state

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        List<String>  list = new ArrayList<>();
        // 实现线程A
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                list.add("abc");
                System.out.println("线程A向list中添加一个元素，此时list中的元素个数为：" + list.size());
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (list.size() == 5)
                    countDownLatch.countDown();
            }
        });
        // 实现线程B
        Thread threadB = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (list.size() != 5) {
                    try {
                        countDownLatch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("线程B收到通知，开始执行自己的业务...");
                break;
            }
        });
        //　需要先启动线程B
        threadB.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 再启动线程A
        threadA.start();
    }
}

运行结果为：
在这里插入图片描述

四：使用 ReentrantLock 结合 Condition

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();

        List<String> list = new ArrayList<>();
        // 实现线程A
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                list.add("abc");
                System.out.println("线程A向list中添加一个元素，此时list中的元素个数为：" + list.size());
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (list.size() == 5)
                    condition.signal();

            }
            lock.unlock();
        });
        // 实现线程B
        Thread threadB = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            if (list.size() != 5) {
                try {
                    condition.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("线程B收到通知，开始执行自己的业务...");
            lock.unlock();
        });
        threadB.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        threadA.start();
    }
}

运行结果为：

显然这种方式使用起来并不是很好，代码编写复杂，而且线程B在被A唤醒之后由于没有获取锁还是不能立即执行，也就是说，A在唤醒操作之后，并不释放锁。这种方法跟 Object 的 wait() 和 notify() 一样。

方式五：基本LockSupport实现线程间的阻塞和唤醒

LockSupport 是一种非常灵活的实现线程间阻塞和唤醒的工具，使用它不用关注是等待线程先进行还是唤醒线程先运行，但是得知道线程的名字。

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        // 实现线程B
        final Thread threadB = new Thread(() -> {
            if (list.size() != 5) {
                LockSupport.park();
            }
            System.out.println("线程B收到通知，开始执行自己的业务...");
        });
        // 实现线程A
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                list.add("abc");
                System.out.println("线程A向list中添加一个元素，此时list中的元素个数为：" + list.size());
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (list.size() == 5)
                    LockSupport.unpark(threadB);
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
    }
}

运行结果
在这里插入图片描述

方法六：CyclicBarrier 并发工具

    private static void cyclicBarrier() throws Exception {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3) ;

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("thread run");
                try {
                    cyclicBarrier.await() ;
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                LOGGER.info("thread end do something");
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("thread run");
                try {
                    cyclicBarrier.await() ;
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                LOGGER.info("thread end do something");
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("thread run");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                    cyclicBarrier.await() ;
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                LOGGER.info("thread end do something");
            }
        }).start();

        LOGGER.info("main thread");
    }

CyclicBarrier 中文名叫做屏障或者是栅栏，也可以用于线程间通信。

它可以等待 N 个线程都达到某个状态后继续运行的效果。

首先初始化线程参与者。
调用 await() 将会在所有参与者线程都调用之前等待。
直到所有参与者都调用了 await() 后，所有线程从 await() 返回继续后续逻辑。

运行结果:

2018-03-18 22:40:00.731 [Thread-0] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - thread run
2018-03-18 22:40:00.731 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - thread run
2018-03-18 22:40:00.731 [Thread-2] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - thread run
2018-03-18 22:40:00.731 [main] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - main thread
2018-03-18 22:40:05.741 [Thread-0] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - thread end do something
2018-03-18 22:40:05.741 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - thread end do something
2018-03-18 22:40:05.741 [Thread-2] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - thread end do something

可以看出由于其中一个线程休眠了五秒，所有其余所有的线程都得等待这个线程调用 await() 。

该工具可以实现 CountDownLatch 同样的功能，但是要更加灵活。甚至可以调用 reset() 方法重置 CyclicBarrier (需要自行捕获 BrokenBarrierException 处理) 然后重新执行。

七：线程响应中断

public class StopThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {

        while ( !Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            // 线程执行具体逻辑
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行中。。");
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "退出。。");

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new StopThread(), "thread A");
        thread.start();

        System.out.println("main 线程正在运行") ;

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10) ;
        thread.interrupt();
    }


}

输出结果:

thread A运行中。。
thread A运行中。。
thread A退出。。

可以采用中断线程的方式来通信，调用了 thread.interrupt() 方法其实就是将 thread 中的一个标志属性置为了 true。

并不是说调用了该方法就可以中断线程，如果不对这个标志进行响应其实是没有什么作用(这里对这个标志进行了判断)。

但是如果抛出了 InterruptedException 异常，该标志就会被 JVM 重置为 false。

八：线程池 awaitTermination() 方法

如果是用线程池来管理线程，可以使用以下方式来让主线程等待线程池中所有任务执行完毕:

    private static void executorService() throws Exception{
        BlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10) ;
        ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5,5,1, TimeUnit.MILLISECONDS,queue) ;
        poolExecutor.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("running");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        poolExecutor.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("running2");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        poolExecutor.shutdown();
        while (!poolExecutor.awaitTermination(1,TimeUnit.SECONDS)){
            LOGGER.info("线程还在执行。。。");
        }
        LOGGER.info("main over");
    }

输出结果:

2018-03-16 20:18:01.273 [pool-1-thread-2] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - running2
2018-03-16 20:18:01.273 [pool-1-thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - running
2018-03-16 20:18:02.273 [main] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - 线程还在执行。。。
2018-03-16 20:18:03.278 [main] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - 线程还在执行。。。
2018-03-16 20:18:04.278 [main] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - main over

使用这个 awaitTermination() 方法的前提需要关闭线程池，如调用了 shutdown() 方法。

调用了 shutdown() 之后线程池会停止接受新任务，并且会平滑的关闭线程池中现有的任务。

九：管道通信

    public static void piped() throws IOException {
        //面向于字符 PipedInputStream 面向于字节
        PipedWriter writer = new PipedWriter();
        PipedReader reader = new PipedReader();

        //输入输出流建立连接
        writer.connect(reader);


        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("running");
                try {
                    for (int i = 0; i < 10; i++) {

                        writer.write(i+"");
                        Thread.sleep(10);
                    }
                } catch (Exception e) {

                } finally {
                    try {
                        writer.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                LOGGER.info("running2");
                int msg = 0;
                try {
                    while ((msg = reader.read()) != -1) {
                        LOGGER.info("msg={}", (char) msg);
                    }

                } catch (Exception e) {

                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }

输出结果:

2018-03-16 19:56:43.014 [Thread-0] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - running
2018-03-16 19:56:43.014 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - running2
2018-03-16 19:56:43.130 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=0
2018-03-16 19:56:43.132 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=1
2018-03-16 19:56:43.132 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=2
2018-03-16 19:56:43.133 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=3
2018-03-16 19:56:43.133 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=4
2018-03-16 19:56:43.133 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=5
2018-03-16 19:56:43.133 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=6
2018-03-16 19:56:43.134 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=7
2018-03-16 19:56:43.134 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=8
2018-03-16 19:56:43.134 [Thread-1] INFO  c.c.actual.ThreadCommunication - msg=9

Java 虽说是基于内存通信的，但也可以使用管道通信。

需要注意的是，输入流和输出流需要首先建立连接。这样线程 B 就可以收到线程 A 发出的消息了。

实际开发中可以灵活根据需求选择最适合的线程通信方式。

posted @ 2021-11-11 14:20 姚春辉阅读(776) 评论(0) 编辑收藏举报

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姚春辉

线程间通信的几种实现方式