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。
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 全執行完畢后才執行，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();} |
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); }} |
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:
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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();} |
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 后，再讓 B 打印 1, 2, 3，最后再回到 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。
這里，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();} |
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，這個過程發生了什么呢？
- 首先創建一個 A 和 B 共享的對象鎖 lock = new Object();
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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； -
對 B 而言，由于 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。
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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();} |
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 全執行完畢后才執行，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后再繼續執行，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);
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在
等待線程里調用countDownLatch.await()方法，進入等待狀態，直到計數值變成 0； -
在
其他線程里，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，等待線程里的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(); }} |
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為3，當 D 運行時，先調用 countDownLatch.await() 檢查計數器值是否為 0，若不為 0 則保持等待狀態；當A B C 各自運行完后都會利用countDownLatch.countDown()，將倒計數器減 1，當三個都運行完后，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。也就是要實現一種線程之間互相等待的效果，那應該怎么來實現呢？
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。
為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：
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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執行。
實現代碼如下，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：
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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(); }} |
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
實際的開發中，我們經常要創建子線程來做一些耗時任務，然后把任務執行結果回傳給主線程使用，這種情況在 Java 里要如何實現呢？
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();} |
可以看到 run() 在執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：
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@FunctionalInterfacepublic 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。
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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(); }} |
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，后續還會對線程同步、線程安全進行講解。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持服務器之家。
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