java多线程：线程间通信

一时失言乱红尘 2022-05-29 05:37 433阅读 0赞

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

一. 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
  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。

二. 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. private static void demo3() {
  2.     Object lock = new Object();
  3.     Thread A = new Thread(new Runnable() {
  4.         @Override
  5.         public void run() {
  6.             synchronized (lock) {
  7.                 System.out.println("A 1");
  8.                 try {
  9.                     lock.wait();
  10.                 } catch (InterruptedException e) {
  11.                     e.printStackTrace();
  12.                 }
  13.                 System.out.println("A 2");
  14.                 System.out.println("A 3");
  15.             }
  16.         }
  17.     });
  18.     Thread B = new Thread(new Runnable() {
  19.         @Override
  20.         public void run() {
  21.             synchronized (lock) {
  22.                 System.out.println("B 1");
  23.                 System.out.println("B 2");
  24.                 System.out.println("B 3");
  25.                 lock.notify();
  26.             }
  27.         }
  28.     });
  29.     A.start();
  30.     Thread.sleep(500);
  31.     B.start();
  32. }

打印结果如下：

  1. A 1
  2. A waiting…
  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？

  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。

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.     Thread.sleep(500);
  38.     B.start();
  39. }

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

三. 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：

  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
  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。

四. 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：

  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
  5. A is prepared, waiting for others
  7. B is prepared, waiting for others
  9. C is prepared, waiting for others
  11. C starts running
  12. A starts running
  13. B starts running

五. 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()
  3. Task starts
  4. Task finished and return result
  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。

小结

多线程是现代语言的共同特性，而线程间通信、线程同步、线程安全是很重要的话题。本文针对 Java 的线程间通信进行了大致的讲解，后续还会对线程同步、线程安全进行讲解。

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