正常情況下,每個子線程完成各自的任務就可以結束了。不過有的時候,我們希望多個線程協同工作來完成某個任務,這時就涉及到了線程間通信了。
本文涉及到的知識點:thread.join()
,object.wait()
,object.notify()
,CountdownLatch
,CyclicBarrier
,FutureTask
,Callable
等。
本文涉及代碼:https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java
下面我從幾個例子作爲切入點來講解下 Java 裏有哪些方法來實現線程間通信。
- 如何讓兩個線程依次執行?
- 那如何讓兩個線程按照指定方式有序交叉運行呢?
- 四個線程 A B C D,其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行,而且 A B C 是同步運行的
- 三個運動員各自準備,等到三個人都準備好後,再一起跑
- 子線程完成某件任務後,把得到的結果回傳給主線程
如何讓兩個線程依次執行?
假設有兩個線程,一個是線程 A,另一個是線程 B,兩個線程分別依次打印 1-3 三個數字即可。我們來看下代碼:
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)
實現如下,用來依次打印 1
, 2
, 3
三個數字:
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);
}
}
這時我們得到的結果是:
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 是同時打印的。
那麼,如果我們希望 B 在 A 全部打印
完後再開始打印呢?我們可以利用 thread.join()
方法,代碼如下:
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 開始等待 A");
try {
A.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
printNumber("B");
}
});
B.start();
A.start();
}
得到的結果如下:
B 開始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3
B print: 1
B print: 2
B print: 3
所以我們能看到 A.join()
方法會讓 B 一直等待直到 A 運行完畢。
那如何讓兩
個線程按照指定方式有序交叉運行呢?
還是上面那個例子,我現在希望 A 在打印完 1
後,再讓 B 打印 1
, 2
, 3
,最後再回到 A 繼續打印 2
, 3
。這種需求下,顯然 Thread.join()
已經不能滿足了。我們需要更細粒度的鎖來控制執行順序。
這裏,我們可以利用 object.wait()
和 object.notify()
兩個方法來實現。代碼如下:
/**
* 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();
}
打印結果如下:
A 1
A waiting...
B 1
B 2
B 3
A 2
A 3
正是我們要的結果。
那麼,這個過程發生了什麼呢?
- 首先創建一個 A 和 B 共享的對象鎖 lock = new Object();
- 當 A 得到鎖後,先打印 1,然後調用
lock.wait()
方法,交出鎖的控制權,進入wait
狀態; - 對 B 而言,由於 A 最開始得到了鎖,導致 B 無法執行;直到 A 調用
lock.wait()
釋放控制權後, B 纔得到了鎖; - B 在得到鎖後打印 1, 2, 3;然後調用
lock.notify()
方法,喚醒正在wait
的 A; - A 被喚醒後,繼續打印剩下的 2,3。
爲了更好理解,我在上面的代碼里加上 log 方便讀者查看。
private static void demo3() {
Object lock = new Object();
Thread A = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("INFO: A 等待鎖");
synchronized (lock) {
System.out.println("INFO: A 得到了鎖 lock");
System.out.println("A 1");
try {
System.out.println("INFO: A 準備進入等待狀態,放棄鎖 lock 的控制權");
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("INFO: 有人喚醒了 A, A 重新獲得鎖 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 等待鎖");
synchronized (lock) {
System.out.println("INFO: B 得到了鎖 lock");
System.out.println("B 1");
System.out.println("B 2");
System.out.println("B 3");
System.out.println("INFO: B 打印完畢,調用 notify 方法");
lock.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
打印結果如下:
INFO: A 等待鎖
INFO: A 得到了鎖 lock
A 1
INFO: A 準備進入等待狀態,調用 lock.wait() 放棄鎖 lock 的控制權
INFO: B 等待鎖
INFO: B 得到了鎖 lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B 打印完畢,調用 lock.notify() 方法
INFO: 有人喚醒了 A, A 重新獲得鎖 lock
A 2
A 3
四個線程 A B C D,其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行,而且 A B C 是同步運行的
最開始我們介紹了 thread.join()
,可以讓一個線程等另一個線程運行完畢後再繼續執行,那我們可以在 D 線程裏依次 join A B C,不過這也就使得 A B C 必須依次執行,而我們要的是這三者能同步運行。
或者說,我們希望達到的目的是:A B C 三個線程同時運行,各自獨立運行完後通知 D;對 D 而言,只要A B C 都運行完了,D 再開始運行。針對這種情況,我們可以利用 CountdownLatch
來實現這類通信方式。它的基本用法是:
- 創建一個計數器,設置初始值,CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
- 在
等待線程
裏調用countDownLatch.await()
方法,進入等待狀態,直到計數值變成 0; - 在
其他線程
裏,調用countDownLatch.countDown()
方法,該方法會將計數值減小 1; - 當
其他線程
的countDown()
方法把計數值變成 0 時,等待線程
裏的countDownLatch.await()
立即退出,繼續執行下面的代碼。
實現代碼如下:
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();
}
}
下面是運行結果:
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
其實簡單點來說,CountDownLatch
就是一個倒計數器,我們把初始計數值設置爲3
,當 D
運行時,先調用 countDownLatch.await()
檢查計數器值是否爲 0
,若不爲 0
則保持等待狀態;當A
B
C
各自運行完後都會利用countDownLatch.countDown()
,將倒計數器減 1
,當三個都運行完後,計數器被減至 0
;此時立即觸發 D
的 await()
運行結束,繼續向下執行。
因此,CountDownLatch
適用於一個線程去等待多個線程的情況。
三個運動員各自準備,等到三個人都準備好後,再一起跑
上面是一個形象的比喻,針對線程 A B C 各自開始準備,直到三者都準備完畢,然後再同時運行
。也就是要實現一種線程之間互相等待
的效果,那應該怎麼來實現呢?
上面的 CountDownLatch
可以用來倒計數,但當計數完畢,只有一個線程的 await()
會得到響應,無法讓多個線程同時觸發。
爲了實現線程間互相等待這種需求,我們可以利用 CyclicBarrier
數據結構,它的基本用法是:
- 先創建一個公共
CyclicBarrier
對象,設置同時等待
的線程數,CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3); - 這些線程同時開始自己做準備,自身準備完畢後,需要等待別人準備完畢,這時調用
cyclicBarrier.await();
即可開始等待別人; - 當指定的
同時等待
的線程數都調用了cyclicBarrier.await();
時,意味着這些線程都準備完畢好,然後這些線程才同時繼續執行
。
實現代碼如下,設想有三個跑步運動員,各自準備好後等待其他人,全部準備好後纔開始跑:
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(); // 當前運動員準備完畢,等待別人準備好
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(rN + " starts running"); // 所有運動員都準備好了,一起開始跑
}
}).start();
}
}
打印的結果如下:
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
子線程完成某件任務後,把得到的結果回傳給主線程
實際的開發中,我們經常要創建子線程來做一些耗時任務,然後把任務執行結果回傳給主線程使用,這種情況在 Java 裏要如何實現呢?
回顧線程的創建,我們一般會把 Runnable
對象傳給 Thread 去執行。Runnable
定義如下:
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
可以看到 run()
在執行完後不會返回任何結果。那如果希望返回結果呢?這裏可以利用另一個類似的接口類 Callable
:
@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
最大區別就是返回範型 V
結果。
那麼下一個問題就是,如何把子線程的結果回傳回來呢?在 Java 裏,有一個類是配合 Callable 使用的:FutureTask
,不過注意,它獲取結果的 get
方法會阻塞主線程。
舉例,我們想讓子線程去計算從1加到100,並把算出的結果返回到主線程。
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();
}
}
打印結果如下:
Before futureTask.get()
Task starts
Task finished and return result
Result: 5050
After futureTask.get()
可以看到,主線程調用 futureTask.get()
方法時阻塞主線程;然後 Callable
內部開始執行,並返回運算結果;此時 futureTask.get()
得到結果,主線程恢復運行。
這裏我們可以學到,通過 FutureTask
和 Callable
可以直接在主線程獲得子線程的運算結果,只不過需要阻塞主線程。當然,如果不希望阻塞主線程,可以考慮利用 ExecutorService
,把 FutureTask
放到線程池去管理執行。
小結
多線程是現代語言的共同特性,而線程間通信、線程同步、線程安全是很重要的話題。本文針對 Java 的線程間通信進行了大致的講解,後續還會對線程同步、線程安全進行講解。
謝謝。
wingjay