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：

private?static?void?demo1()?{Thread?A?=?new?Thread(new?Runnable()?{@Overridepublic?void?run()?{printNumber("A");}});Thread?B?=?new?Thread(new?Runnable()?{@Overridepublic?void?run()?{printNumber("B");}});A.start();B.start(); }

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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