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:
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|
private
static
void
demo1() {
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
printNumber(
"A"
);
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
printNumber(
"B"
);
}
});
A.start();
B.start();
}
|
其中的 printNumber(String) 实现如下,用来依次打印 1, 2, 3 三个数字:
1
2
3
4
5
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8
9
10
11
|
private
static
void
printNumber(String threadName) {
int
i=
0
;
while
(i++ <
3
) {
try
{
Thread.sleep(
100
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadName +
"print:"
+ i);
}
}
|
这时我们得到的结果是:
1
2
3
4
5
6
|
B print:
1
A print:
1
B print:
2
A print:
2
B print:
3
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:
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|
private
static
void
demo2() {
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
printNumber(
"A"
);
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
System.out.println(
"B 开始等待 A"
);
try
{
A.join();
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
printNumber(
"B"
);
}
});
B.start();
A.start();
}
|
得到的结果如下:
1
2
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4
5
6
7
8
|
B 开始等待 A
A print:
1
A print:
2
A print:
3
B print:
1
B print:
2
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:
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34
|
/**
* A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
*/
private
static
void
demo3() {
Object lock =
new
Object();
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
synchronized
(lock) {
System.out.println(
"A 1"
);
try
{
lock.wait();
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(
"A 2"
);
System.out.println(
"A 3"
);
}
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
synchronized
(lock) {
System.out.println(
"B 1"
);
System.out.println(
"B 2"
);
System.out.println(
"B 3"
);
lock.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
|
打印结果如下:
1
2
3
4
5
6
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8
|
A
1
A waiting…
B
1
B
2
B
3
A
2
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。
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|
private
static
void
demo3() {
Object lock =
new
Object();
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
System.out.println(
"INFO: A 等待锁"
);
synchronized
(lock) {
System.out.println(
"INFO: A 得到了锁 lock"
);
System.out.println(
"A 1"
);
try
{
System.out.println(
"INFO: A 准备进入等待状态,放弃锁 lock 的控制权"
);
lock.wait();
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(
"INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock"
);
System.out.println(
"A 2"
);
System.out.println(
"A 3"
);
}
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
System.out.println(
"INFO: B 等待锁"
);
synchronized
(lock) {
System.out.println(
"INFO: B 得到了锁 lock"
);
System.out.println(
"B 1"
);
System.out.println(
"B 2"
);
System.out.println(
"B 3"
);
System.out.println(
"INFO: B 打印完毕,调用 notify 方法"
);
lock.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
|
打印结果如下:
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INFO: A 等待锁
INFO: A 得到了锁 lock
A
1
INFO: A 准备进入等待状态,调用 lock.wait() 放弃锁 lock 的控制权
INFO: B 等待锁
INFO: B 得到了锁 lock
B
1
B
2
B
3
INFO: B 打印完毕,调用 lock.notify() 方法
INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock
A
2
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:
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|
private
static
void
runDAfterABC() {
int
worker =
3
;
CountDownLatch countDownLatch =
new
CountDownLatch(worker);
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
System.out.println(
"D is waiting for other three threads"
);
try
{
countDownLatch.await();
System.out.println(
"All done, D starts working"
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
for
(
char
threadName=
'A'
; threadName <=
'C'
; threadName++) {
final
String tN = String.valueOf(threadName);
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
System.out.println(tN +
"is working"
);
try
{
Thread.sleep(
100
);
}
catch
(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(tN +
"finished"
);
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
}
|
下面是运行结果:
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|
D is waiting
for
other three threads
A is working
B is working
C is working
A finished
C finished
B finished
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:
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|
private
static
void
runABCWhenAllReady() {
int
runner =
3
;
CyclicBarrier cyclicBarrier =
new
CyclicBarrier(runner);
final
Random random =
new
Random();
for
(
char
runnerName=
'A'
; runnerName <=
'C'
; runnerName++) {
final
String rN = String.valueOf(runnerName);
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run() {
long
prepareTime = random.nextInt(
10000
) +
100
;
System.out.println(rN +
"is preparing for time:"
+ prepareTime);
try
{
Thread.sleep(prepareTime);
}
catch
(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try
{
System.out.println(rN +
"is prepared, waiting for others"
);
cyclicBarrier.await();
// 当前运动员准备完毕,等待别人准备好
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
catch
(BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(rN +
"starts running"
);
// 所有运动员都准备好了,一起开始跑
}
}).start();
}
}
|
打印的结果如下:
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|
A is preparing
for
time:
4131
B is preparing
for
time:
6349
C is preparing
for
time:
8206
A is prepared, waiting
for
others
B is prepared, waiting
for
others
C is prepared, waiting
for
others
C starts running
A starts running
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
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3
|
public
interface
Runnable {
public
abstract
void
run();
}
|
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:
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|
@FunctionalInterface
public
interface
Callable<V> {
/**
* Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
*
* @return computed result
* @throws Exception if unable to compute a result
*/
V call()
throws
Exception;
}
|
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。
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|
private
static
void
doTaskWithResultInWorker() {
Callable<Integer> callable =
new
Callable<Integer>() {
@Override
public
Integer call()
throws
Exception {
System.out.println(
"Task starts"
);
Thread.sleep(
1000
);
int
result =
0
;
for
(
int
i=
0
; i<=
100
; i++) {
result += i;
}
System.out.println(
"Task finished and return result"
);
return
result;
}
};
FutureTask<Integer> futureTask =
new
FutureTask<>(callable);
new
Thread(futureTask).start();
try
{
System.out.println(
"Before futureTask.get()"
);
System.out.println(
"Result:"
+ futureTask.get());
System.out.println(
"After futureTask.get()"
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
catch
(ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
|
打印结果如下:
1
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3
4
5
6
7
|
Before futureTask.get()
Task starts
Task finished and
return
result
Result:
5050
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。