并发多线程学习（六）Java线程间的通信
合理的使用Java多线程可以更好地利用服务器资源。一般来讲，线程内部有自己私有的线程上下文，互不干扰。但是当我们需要多个线程之间相互协作的时候，就需要我们掌握Java线程的通信方式。本文将介绍Java线程之间的几种通信原理。
5.1 锁与同步
在Java中，锁的概念都是基于对象的，所以我们又经常称它为对象锁。线程和锁的关系，我们可以用婚姻关系来理解。一个锁同一时间只能被一个线程持有。也就是说，一个锁如果和一个线程“结婚”（持有），那其他线程如果需要得到这个锁，就得等这个线程和这个锁“离婚”（释放）。
在我们的线程之间，有一个同步的概念。什么是同步呢，假如我们现在有2位正在抄暑假作业答案的同学：线程A和线程B。当他们正在抄的时候，老师突然来修改了一些答案，可能A和B最后写出的暑假作业就不一样。我们为了A,B能写出2本相同的暑假作业，我们就需要让老师先修改答案，然后A，B同学再抄。或者A，B同学先抄完，老师再修改答案。这就是线程A，线程B的线程同步。
可以解释为：线程同步是线程之间按照一定的顺序执行。
为了达到线程同步，我们可以使用锁来实现它。
我们先来看看一个无锁的程序：
public class NoneLock {
static class ThreadA implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("Thread A " + i);
}
}
}
static class ThreadB implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("Thread B " + i);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new ThreadA()).start();
new Thread(new ThreadB()).start();
}
}
执行这个程序，你会在控制台看到，线程A和线程B各自独立工作，输出自己的打印值。如下是我的电脑上某一次运行的结果。每一次运行结果都会不一样。
....
Thread A 48
Thread A 49
Thread B 0
Thread A 50
Thread B 1
Thread A 51
Thread A 52
....
那我现在有一个需求，我想等A先执行完之后，再由B去执行，怎么办呢？最简单的方式就是使用一个“对象锁”：
public class ObjectLock {
private static Object lock = new Object();
static class ThreadA implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("Thread A " + i);
}
}
}
}
static class ThreadB implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("Thread B " + i);
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new ThreadA()).start();
Thread.sleep(10);
new Thread(new ThreadB()).start();
}
}
这里声明了一个名字为lock的对象锁。我们在ThreadA和ThreadB内需要同步的代码块里，都是用synchronized关键字加上了同一个对象锁lock。
上文我们说到了，根据线程和锁的关系，同一时间只有一个线程持有一个锁，那么线程B就会等线程A执行完成后释放lock，线程B才能获得锁lock。
这里在主线程里使用sleep方法睡眠了10毫秒，是为了防止线程B先得到锁。因为如果同时start，线程A和线程B都是出于就绪状态，操作系统可能会先让B运行。这样就会先输出B的内容，然后B执行完成之后自动释放锁，线程A再执行。
5.2 等待/通知机制
上面一种基于“锁”的方式，线程需要不断地去尝试获得锁，如果失败了，再继续尝试。这可能会耗费服务器资源。
而等待/通知机制是另一种方式。
Java多线程的等待/通知机制是基于Object类的wait()方法和notify(), notifyAll()方法来实现的。
notify()方法会随机叫醒一个正在等待的线程，而notifyAll()会叫醒所有正在等待的线程。
前面我们讲到，一个锁同一时刻只能被一个线程持有。而假如线程A现在持有了一个锁lock并开始执行，它可以使用lock.wait()让自己进入等待状态。这个时候，lock这个锁是被释放了的。
这时，线程B获得了lock这个锁并开始执行，它可以在某一时刻，使用lock.notify()，通知之前持有lock锁并进入等待状态的线程A，说“线程A你不用等了，可以往下执行了”。
需要注意的是，这个时候线程B并没有释放锁
lock，除非线程B这个时候使用lock.wait()释放锁，或者线程B执行结束自行释放锁，线程A才能得到lock锁。
我们用代码来实现一下：
public class WaitAndNotify {
private static Object lock = new Object();
static class ThreadA implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
System.out.println("ThreadA: " + i);
lock.notify();
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.notify();
}
}
}
static class ThreadB implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
System.out.println("ThreadB: " + i);
lock.notify();
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.notify();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new ThreadA()).start();
Thread.sleep(1000);
new Thread(new ThreadB()).start();
}
}
// 输出：
ThreadA: 0
ThreadB: 0
ThreadA: 1
ThreadB: 1
ThreadA: 2
ThreadB: 2
ThreadA: 3
ThreadB: 3
ThreadA: 4
ThreadB: 4
在这个Demo里，线程A和线程B首先打印出自己需要的东西，然后使用notify()方法叫醒另一个正在等待的线程，然后自己使用wait()方法陷入等待并释放lock锁。
需要注意的是等待/通知机制使用的是使用同一个对象锁，如果你两个线程使用的是不同的对象锁，那它们之间是不能用等待/通知机制通信的。
5.3 信号量
JDK提供了一个类似于“信号量”功能的类Semaphore。但本文不是要介绍这个类，而是介绍一种基于volatile关键字的自己实现的信号量通信。
后面会有专门的章节介绍volatile关键字，这里只是做一个简单的介绍。
volatile关键字能够保证内存的可见性，如果用volatile关键字声明了一个变量，在一个线程里面改变了这个变量的值，那其它线程是立马可见更改后的值的。
比如我现在有一个需求，我想让线程A输出0，然后线程B输出1，再然后线程A输出2…以此类推。我应该怎样实现呢？
代码：
public class Signal {
private static volatile int signal = 0;
static class ThreadA implements Runnable {
@Override
public void run() {
while (signal < 5) {
if (signal % 2 == 0) {
System.out.println("threadA: " + signal);
signal++;
}
}
}
}
static class ThreadB implements Runnable {
@Override
public void run() {
while (signal < 5) {
if (signal % 2 == 1) {
System.out.println("threadB: " + signal);
signal = signal + 1;
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new ThreadA()).start();
Thread.sleep(1000);
new Thread(new ThreadB()).start();
}
}
// 输出：
threadA: 0
threadB: 1
threadA: 2
threadB: 3
threadA: 4
我们可以看到，使用了一个volatile变量signal来实现了“信号量”的模型。这里需要注意的是，volatile变量需要进行原子操作。
需要注意的是，signal++并不是一个原子操作，所以我们在实际开发中，会根据需要使用synchronized给它“上锁”，或者是使用AtomicInteger等原子类。并且上面的程序也并不是线程安全的，因为执行while语句后，可能当前线程就暂停等待时间片了，等线程醒来，可能signal已经大于等于5了。
这种实现方式并不一定高效，本例只是演示信号量
信号量的应用场景：
假如在一个停车场中，车位是我们的公共资源，线程就如同车辆，而看门的管理员就是起的“信号量”的作用。
因为在这种场景下，多个线程（超过2个）需要相互合作，我们用简单的“锁”和“等待通知机制”就不那么方便了。这个时候就可以用到信号量。
其实JDK中提供的很多多线程通信工具类都是基于信号量模型的。我们会在后面第三篇的文章中介绍一些常用的通信工具类。
5.4 管道
管道是基于“管道流”的通信方式。JDK提供了PipedWriter、 PipedReader、 PipedOutputStream、 PipedInputStream。其中，前面两个是基于字符的，后面两个是基于字节流的。
这里的示例代码使用的是基于字符的：
public class Pipe {
static class ReaderThread implements Runnable {
private PipedReader reader;
public ReaderThread(PipedReader reader) {
this.reader = reader;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("this is reader");
int receive = 0;
try {
while ((receive = reader.read()) != -1) {
System.out.print((char)receive);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
static class WriterThread implements Runnable {
private PipedWriter writer;
public WriterThread(PipedWriter writer) {
this.writer = writer;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("this is writer");
int receive = 0;
try {
writer.write("test");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
writer.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
PipedWriter writer = new PipedWriter();
PipedReader reader = new PipedReader();
writer.connect(reader); // 这里注意一定要连接，才能通信
new Thread(new ReaderThread(reader)).start();
Thread.sleep(1000);
new Thread(new WriterThread(writer)).start();
}
}
// 输出：
this is reader
this is writer
test
我们通过线程的构造函数，传入了PipedWrite和PipedReader对象。可以简单分析一下这个示例代码的执行流程：
- 线程ReaderThread开始执行，
- 线程ReaderThread使用管道reader.read()进入”阻塞“，
- 线程WriterThread开始执行，
- 线程WriterThread用writer.write("test")往管道写入字符串，
- 线程WriterThread使用writer.close()结束管道写入，并执行完毕，
- 线程ReaderThread接受到管道输出的字符串并打印，
- 线程ReaderThread执行完毕。
管道通信的应用场景：
这个很好理解。使用管道多半与I/O流相关。当我们一个线程需要先另一个线程发送一个信息（比如字符串）或者文件等等时，就需要使用管道通信了。
5.5 其它通信相关
以上介绍了一些线程间通信的基本原理和方法。除此以外，还有一些与线程通信相关的知识点，这里一并介绍。
5.5.1 join方法
join()方法是Thread类的一个实例方法。它的作用是让当前线程陷入“等待”状态，等join的这个线程执行完成后，再继续执行当前线程。
有时候，主线程创建并启动了子线程，如果子线程中需要进行大量的耗时运算，主线程往往将早于子线程结束之前结束。
如果主线程想等待子线程执行完毕后，获得子线程中的处理完的某个数据，就要用到join方法了。
示例代码：
public class Join {
static class ThreadA implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("我是子线程，我先睡一秒");
Thread.sleep(1000);
System.out.println("我是子线程，我睡完了一秒");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(new ThreadA());
thread.start();
thread.join();
System.out.println("如果不加join方法，我会先被打出来，加了就不一样了");
}
}
注意join()方法有两个重载方法，一个是join(long)， 一个是join(long, int)。
实际上，通过源码你会发现，join()方法及其重载方法底层都是利用了wait(long)这个方法。
对于join(long, int)，通过查看源码(JDK 1.8)发现，底层并没有精确到纳秒，而是对第二个参数做了简单的判断和处理。
5.5.2 sleep方法
sleep方法是Thread类的一个静态方法。它的作用是让当前线程睡眠一段时间。它有这样两个方法：
- Thread.sleep(long)
- Thread.sleep(long, int)
同样，查看源码(JDK 1.8)发现，第二个方法貌似只对第二个参数做了简单的处理，没有精确到纳秒。实际上还是调用的第一个方法。
这里需要强调一下：sleep方法是不会释放当前的锁的，而wait方法会。这也是最常见的一个多线程面试题。
它们还有这些区别：
- wait可以指定时间，也可以不指定；而sleep必须指定时间。
- wait释放cpu资源，同时释放锁；sleep释放cpu资源，但是不释放锁，所以易死锁。
- wait必须放在同步块或同步方法中，而sleep可以在任意位置。
5.5.3 ThreadLocal类
ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类。内部是一个弱引用的Map来维护。这里不详细介绍它的原理，而是只是介绍它的使用，以后有独立章节来介绍ThreadLocal类的原理。
关于ThreadLocal类的原理，可以先看看这几篇文章：https://yasinshaw.com/articles?keyword=threadlocal
有些朋友称ThreadLocal为线程本地变量或线程本地存储。严格来说，ThreadLocal类并不属于多线程间的通信，而是让每个线程有自己”独立“的变量，线程之间互不影响。它为每个线程都创建一个副本，每个线程可以访问自己内部的副本变量。
ThreadLocal类最常用的就是set方法和get方法。示例代码：
public class ThreadLocalDemo {
static class ThreadA implements Runnable {
private ThreadLocal<String> threadLocal;
public ThreadA(ThreadLocal<String> threadLocal) {
this.threadLocal = threadLocal;
}
@Override
public void run() {
threadLocal.set("A");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("ThreadA输出：" + threadLocal.get());
}
static class ThreadB implements Runnable {
private ThreadLocal<String> threadLocal;
public ThreadB(ThreadLocal<String> threadLocal) {
this.threadLocal = threadLocal;
}
@Override
public void run() {
threadLocal.set("B");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("ThreadB输出：" + threadLocal.get());
}
}
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
new Thread(new ThreadA(threadLocal)).start();
new Thread(new ThreadB(threadLocal)).start();
}
}
}
// 输出：
ThreadA输出：A
ThreadB输出：B
可以看到，虽然两个线程使用的同一个ThreadLocal实例（通过构造方法传入），但是它们各自可以存取自己当前线程的一个值。
那ThreadLocal有什么作用呢？如果只是单纯的想要线程隔离，在每个线程中声明一个私有变量就好了呀，为什么要使用ThreadLocal？
如果开发者希望将类的某个静态变量（user ID或者transaction ID）与线程状态关联，则可以考虑使用ThreadLocal。
最常见的ThreadLocal使用场景为用来解决数据库连接、Session管理等。数据库连接和Session管理涉及多个复杂对象的初始化和关闭。如果在每个线程中声明一些私有变量来进行操作，那这个线程就变得不那么“轻量”了，需要频繁的创建和关闭连接。
5.5.4 InheritableThreadLocal
InheritableThreadLocal类与ThreadLocal类稍有不同，Inheritable是继承的意思。它不仅仅是当前线程可以存取副本值，而且它的子线程也可以存取这个副本值。
