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:
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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();
}
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其中的 printNumber(String) 實現如下,用來依次打印 1, 2, 3 三個數字:
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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);
}
}
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這時我們得到的結果是:
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B print: 1
A print: 1
B print: 2
A print: 2
B print: 3
A print: 3
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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:
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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 開始等待 A" );
try {
A.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
printNumber( "B" );
}
});
B.start();
A.start();
}
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得到的結果如下:
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B 開始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3
B print: 1
B print: 2
B print: 3
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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:
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/**
* 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();
}
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打印結果如下:
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A 1
A waiting…
B 1
B 2
B 3
A 2
A 3
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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。
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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();
}
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打印結果如下:
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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
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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:
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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();
}
}
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下面是運行結果:
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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
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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:
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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(); // 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();
}
}
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打印的結果如下:
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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
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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:
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public interface Runnable {
public abstract void run();
}
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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:
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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;
}
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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。
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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();
}
}
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打印結果如下:
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Before futureTask.get()
Task starts
Task finished and return result
Result: 5050
After futureTask.get()
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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。
原文出處:http://wingjay.com/2017/04/09/Java%E9%87%8C%E5%A6%82%E4%BD%95%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E9%97%B4%E9%80%9A%E4%BF%A1%EF%BC%9F/