Java并发编程(五)——线程间通信

爱被打了一巴掌 2022-06-16 13:54 188阅读 0赞

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1.  volatilesynchronized关键字
2.  1.  1 如何实现通信
    2.  2 特点
    3.  3 使用场景
    4.  4 例子
3.  等待通知机制
4.  1.  1 如何实现
    2.  2 注意点
    3.  3 QA
    4.  4 代码实现
    5.  5 超时等待模式
5.  管道流
6.  1.  1 作用
    2.  2 特点
    3.  3 实现
7.  join
8.  1.  1 作用
    2.  2 实现

多条线程之间有时需要数据交互，下面介绍五种线程间数据交互的方式，他们的使用场景各有不同。

# 1. volatile、synchronized关键字 #

## 1.1 如何实现通信？ ##

这两种方式都采用了同步机制实现多条线程间的数据通信。与其说是“通信”，倒不如说是“共享变量”来的恰当。当一个共享变量被volatile修饰 或 被同步块包裹后，他们的读写操作都会直接操作共享内存，从而各个线程都能看到共享变量最新的值，也就是实现了内存的可见性。

## 1.2 特点 ##

*  这种方式本质上是“共享数据”，而非“传递数据”；只是从结果来看，数据好像是从写线程传递到了读线程；
 *  这种通信方式无法指定特定的接收线程。当数据被修改后究竟哪条线程最先访问到，这由操作系统随机决定。
 *  总的来说，这种方式并不是真正意义上的“通信”，而是“共享”。

## 1.3 使用场景 ##

这种方式能“传递”变量。当需要传递一些公用的变量时就可以使用这种方式。如：传递boolean flag，用于表示状态、传递一个存储所有任务的队列等。

## 1.4 例子 ##

> 用这种方式实现线程的开关控制。

// 用于控制线程当前的执行状态
    private volatile boolean running = false;
    
    // 开启一条线程
    Thread thread = new Thread(new Runnable(){
        void run(){
            // 开关
            while(!running){
                Thread.sleep(1000);
            }
            // 执行线程任务
            doSometing();
        }
    }).start();
    
    // 开始执行
    public void start(){
        running = true;
    }

# 2. 等待/通知机制 #

## 2.1 如何实现？ ##

等待/通知机制的实现由Java完成，我们只需调用Object类的几个方法即可。

*  wait()：将当前线程的状态改为“等待态”，加入等待队列，释放锁；直到当前线程发生中断或调用了notify方法，这条线程才会被从等待队列转移到同步队列，此时可以开始竞争锁。
 *  wait(long)：和wait()功能一样，只不过多了个超时动作。一旦超时，就会继续执行wait之后的代码，它不会抛超时异常！
 *  notify()：将等待队列中的一条线程转移到同步队列中去。
 *  notifyAll()：将等待队列中的所有线程都转移到同步队列中去。

## 2.2 注意点 ##

*  以上方法都必须放在同步块中；
 *  并且以上方法都只能由所处同步块的锁对象调用；
 *  锁对象A.notify()/notifyAll()只能唤醒由锁对象A wait的线程；
 *  调用notify/notifyAll函数后仅仅是将线程从等待队列转移到阻塞队列，只有当该线程竞争到锁后，才能从wait方法中返回，继续执行接下来的代码；

## 2.3 QA ##

*  为什么wait必须放在同步块中调用？  
    因为等待/通知机制需要和共享状态变量配合使用，一般是先检查状态，若状态为true则执行wait，即包含“先检查后执行”，因此需要把这一过程加锁，确保其原子执行。  
    举个例子：

// 共享的状态变量
    boolean flag = false;
    
    // 线程1
    Thread t1 = new Thread(new Runnable(){
        public void run(){
            while(!flag){
                wait();
            }
        }
    }).start();
    
    // 线程2
    Thread t2 = new Thread(new Runnable(){
        public void run(){
            flag = true;
            notifyAll();
        }
    }).start();

上述例子thread1未加同步。当thread1执行到while那行后，判断其状态为true，此时若发生上下文切换，线程2开始执行，并一口气执行完了；此时flag已经是true，然而thread1继续执行，遇到wait后便进入等待态；但此时已经没有线程能唤醒它了，因此就一直等待下去。

*  为什么notify需要加锁？且必须和wait使用同一把锁？  
    首先，加锁是为了保证共享变量的内存可见性，让它发生修改后能直接写入共享内存，好让wait所处的线程立即看见。  
    其次，和wait使用同一把锁是为了确保wait、notify之间的互斥，即：同一时刻，只能有其中一条线程执行。
 *  为什么必须使用同步块的锁对象调用wait函数？  
    首先，由于wait会释放锁，因此通过锁对象调用wait就是告诉wait释放哪个锁。  
    其次，告诉线程，你是在哪个锁对象上等待的，只有当该锁对象调用notify时你才能被唤醒。
 *  为什么必须使用同步块的锁对象调用notify函数？  
    告诉notify，只唤醒在该锁对象上等待的线程。

## 2.4 代码实现 ##

等待/通知机制用于实现生产者和消费者模式。

*  生产者

synchronized(锁A){
        flag = true;// 或者：list.add(xx);
        锁A.notify();
    }

*  消费者

synchronized(锁A){
        // 不满足条件
        while(!flag){ // 或者：list.isEmpty()
            锁A.wait();
        }
    
        // doSometing……
    }

## 2.5 超时等待模式 ##

在之前的生产者-消费者模式中，如果生产者没有发出通知，那么消费者将永远等待下去。为了避免这种情况，我们可以给消费者增加超时等待功能。该功能依托于wait(long)方法，只需在wait前的检查条件中增加超时标识位，实现如下：

public void get(long mills){
        synchronized( list ){
            // 不加超时功能
            if ( mills <= 0 ) {
                while( list.isEmpty() ){
                    list.wait();
                }
            }
    
            // 添加超时功能
            else {
                boolean isTimeout = false;
                while(list.isEmpty() && isTimeout){
                    list.wait(mills);
                    isTimeout = true;
                }
    
                // doSometing……
            }
        }
    }

# 3. 管道流 #

## 3.1 作用 ##

管道流用于在两个线程之间进行字节流或字符流的传递。

## 3.2 特点 ##

*  管道流的实现依靠PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedWriter、PipedReader。分别对应字节流和字符流。
 *  他们与IO流的区别是：IO流是在硬盘、内存、Socket之间流动，而管道流仅在内存中的两条线程间流动。

## 3.3 实现 ##

步骤如下：  
1. 在一条线程中分别创建输入流和输出流；  
2. 将输入流和输出流连接起来；  
3. 将输入流和输出流分别传递给两条线程；  
4. 调用read和write方法就可以实现线程间通信。

// 创建输入流与输出流对象
    PipedWriter out = new PipedWriter();
    PipedReader in = new PipedReader();
    
    // 连接输入输出流
    out.connect(in);
    
    // 创建写线程
    class WriteThread extends Thread{ 
        private PipedWriter out;
    
        public WriteThread(PipedWriter out){
            this.out = out;
        }
    
        public void run(){
            out.write("hello concurrent world!");
        }
    }
    
    // 创建读线程
    class ReaderThread extends Thread{ 
        private PipedReader in;
    
        public ReaderThread(PipedReader in){
            this.in = in;
        }
    
        public void run(){
            in.read();
        }
    }
    
    //

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