Java 里如何实现线程间通信?

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正文

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: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:

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:

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:

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:

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:

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()object.notify() 两个方法来实现。代码如下:

/**
 * 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();
}

打印结果如下:

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?

  1. 首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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;
  5. 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。

```
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();
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