面试官 | 线程间是如何通信的?
作者 | wingjay
來源?|?wingjay.com
正常情況下,每個線程獨立完成自己的任務就結束了,但某些特殊情況下,我們需要多個線程來共同完成某項任務,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
下面我從幾個例子作為切入點來講解下 Java 里有哪些方法來實現(xiàn)線程間通信。
如何讓兩個線程依次執(zhí)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(zhí)行完畢后才執(zhí)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后,再一起跑
子線程完成某件任務后,把得到的結果回傳給主線程
如何讓兩個線程依次執(zhí)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(shù)字即可。我們來看下代碼:
其中的 printNumber(String) 實現(xiàn)如下,用來依次打印 1, 2, 3 三個數(shù)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。
那么,如果我們希望 B 在 A 全部打印 完后再開始打印呢?我們可以利用 thread.join() 方法,代碼如下:
private?static?void?demo2()?{Thread?A?=?new?Thread(new?Runnable()?{@Overridepublic?void?run()?{printNumber("A");}});Thread?B?=?new?Thread(new?Runnable()?{@Overridepublic?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(xiàn)在希望 A 在打印完 1 后,再讓 B 打印 1, 2, 3,最后再回到 A 繼續(xù)打印 2, 3。這種需求下,顯然 Thread.join() 已經(jīng)不能滿足了。我們需要更細粒度的鎖來控制執(zhí)行順序。
這里,我們可以利用 object.wait() 和 object.notify() 兩個方法來實現(xiàn)。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()?{@Overridepublic?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()?{@Overridepublic?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。
那么,這個過程發(fā)生了什么呢?
首先創(chuàng)建一個 A 和 B 共享的對象鎖 lock = new Object();
當 A 得到鎖后,先打印 1,然后調用 lock.wait() 方法,交出鎖的控制權,進入 wait 狀態(tài);
對 B 而言,由于 A 最開始得到了鎖,導致 B 無法執(zhí)行;直到 A 調用 lock.wait() 釋放控制權后, B 才得到了鎖;
B 在得到鎖后打印 1, 2, 3;然后調用 lock.notify() 方法,喚醒正在 wait 的 A;
A 被喚醒后,繼續(xù)打印剩下的 2,3。
為了更好理解,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()?{@Overridepublic?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(tài),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()?{@Overridepublic?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(tài),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(zhí)行完畢后才執(zhí)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后再繼續(xù)執(zhí)行,那我們可以在 D 線程里依次 join A B C,不過這也就使得 A B C 必須依次執(zhí)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,各自獨立運行完后通知 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(xiàn)這類通信方式。它的基本用法是:
創(chuàng)建一個計數(shù)器,設置初始值,CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
在 等待線程 里調用 countDownLatch.await() 方法,進入等待狀態(tài),直到計數(shù)值變成 0;
在 其他線程 里,調用 countDownLatch.countDown() 方法,該方法會將計數(shù)值減小 1;
當 其他線程 的 countDown() 方法把計數(shù)值變成 0 時,等待線程 里的 countDownLatch.await() 立即退出,繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼。
實現(xiàn)代碼如下:
private?static?void?runDAfterABC()?{int?worker?=?3;CountDownLatch?countDownLatch?=?new?CountDownLatch(worker);new?Thread(new?Runnable()?{@Overridepublic?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()?{@Overridepublic?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(shù)器,我們把初始計數(shù)值設置為3,當 D 運行時,先調用 countDownLatch.await() 檢查計數(shù)器值是否為 0,若不為 0 則保持等待狀態(tài);當A B C 各自運行完后都會利用countDownLatch.countDown(),將倒計數(shù)器減 1,當三個都運行完后,計數(shù)器被減至 0;此時立即觸發(fā) D 的 await() 運行結束,繼續(xù)向下執(zhí)行。
因此,CountDownLatch 適用于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后,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,然后再同時運行 。也就是要實現(xiàn)一種 線程之間互相等待 的效果,那應該怎么來實現(xiàn)呢?
上面的 CountDownLatch 可以用來倒計數(shù),但當計數(shù)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(fā)。
為了實現(xiàn)線程間互相等待這種需求,我們可以利用 CyclicBarrier 數(shù)據(jù)結構,它的基本用法是:
先創(chuàng)建一個公共 CyclicBarrier 對象,設置 同時等待 的線程數(shù),CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
這些線程同時開始自己做準備,自身準備完畢后,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(shù)都調用了 cyclicBarrier.await();時,意味著這些線程都準備完畢好,然后這些線程才 同時繼續(xù)執(zhí)行。
實現(xiàn)代碼如下,設想有三個跑步運動員,各自準備好后等待其他人,全部準備好后才開始跑:
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()?{@Overridepublic?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后,把得到的結果回傳給主線程
實際的開發(fā)中,我們經(jīng)常要創(chuàng)建子線程來做一些耗時任務,然后把任務執(zhí)行結果回傳給主線程使用,這種情況在 Java 里要如何實現(xiàn)呢?
回顧線程的創(chuàng)建,我們一般會把 Runnable 對象傳給 Thread 去執(zhí)行。Runnable定義如下:
public?interface?Runnable?{public?abstract?void?run(); }可以看到 run() 在執(zhí)行完后不會返回任何結果。那如果希望返回結果呢?這里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(qū)別就是返回范型 V 結果。
那么下一個問題就是,如何把子線程的結果回傳回來呢?在 Java 里,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,并把算出的結果返回到主線程。
private?static?void?doTaskWithResultInWorker()?{Callable<Integer>?callable?=?new?Callable<Integer>()?{@Overridepublic?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;然后 Callable 內部開始執(zhí)行,并返回運算結果;此時 futureTask.get() 得到結果,主線程恢復運行。
這里我們可以學到,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(zhí)行。
小結
多線程是現(xiàn)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,后續(xù)還會對線程同步、線程安全進行講解。
本文源碼:https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java
【END】
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的面试官 | 线程间是如何通信的?的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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