Java进阶知识 - 多线程与线程间通信

CountdownLatch, CyclicBarrier 分别适合什么场景呢?

大部分情况下, 子线程只需要关心自身执行的任务. 但在某些复杂的情况下, 需要使用多个线程来协同完成某个任务, 这就涉及到线程间通信(inter-thread communication)的问题了.

主要涉及的内容有:

thread.join() 方法
object.wait() 方法
object.notify() 方法
CountdownLatch 类
CyclicBarrier 类
FutureTask 类
Callable 类

示例代码可参考: https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java

本文通过示例, 讲解Java语言中, 如何实现线程间通信.

如何让两个线程顺序执行
怎样让两个线程交替执行
假设有四个线程: A,B,C,D, 如何实现ABC一起执行, 全部完成后再执行D线程.
短跑比赛, 在所有人都准备完成后, 让运动员们同时起跑.
子线程执行完成后, 怎么将结果值返回给主线程.

如何让两个线程顺序执行

先看看基础方法 printNumber(String) 的实现, 该方法按顺序打印三个数字 1、2、3:

private static void printNumber(String threadName) {
    int i=0;
    while (i++ < 3) {
        try {
            Thread.sleep(100); // 注意这里加入了延迟时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(threadName + "print:" + i);
    }
}

假设有两个线程: 线程A和线程B. 代码如下:

/**
 * A、B线程启动顺序是随机的, 可多次执行来验证
 */
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();
}

每个线程都会调用 printNumber() 方法.

AB的执行顺序随机, 结果可能是这样:

B print: 1
A print: 1
B print: 2
A print: 2
A print: 3
B print: 3

可以看到, A和B会一起执行.

假设需求发生变化, 线程A打印完成之后, 线程B才能执行打印. 那么可以使用 thread.join() 方法,代码如下:

/**
 * 打印顺序: A 1, A 2, A 3, B 1, B 2, B 3
 */
private static void demo2() {
    final 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线程需要等待A线程执行完成");
            try {
                A.join(); // 等待线程A执行完成之后与当前线程“汇合”
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            printNumber("B");
        }
    });

    A.start();
    B.start();
}

join, 加入, 合并, 汇合

执行结果为:

B线程需要等待A线程执行完成
A print: 1
A print: 2
A print: 3
B print: 1
B print: 2
B print: 3

可以看到, B线程执行的方法里面, 调用了 A.join() 方法, 会等待A线程先执行完成, B再继续往下走.

怎样让两个线程以指定顺序交替执行

假设需要先让A打印1、然后B打印1,2,3, 再让A打印2、3. 那么, 可以使用细粒度的锁(fine-grained locks)来控制执行顺序.

比如使用Java内置的 object.wait() 和 object.notify() 方法. 代码如下:

/**
 * 打印顺序: A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
 */
private static void demo3() {
    final Object lock = new Object();
    Thread A = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("A 1");
                try {
        System.out.println("A waiting…");
                    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();
    //
    try {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50L);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    B.start();
}

执行结果如下:

A 1
A waiting…
 
B 1
B 2
B 3
A 2
A 3

这就实现了需要的效果.

主流程说明

首先创建一个对象锁: lock = new Object();
A获取锁, 得到后先打印1, 然后调用 lock.wait() 进入等待状态, 同时移交锁的控制权;
B暂时不会执行打印, 需要等A调用lock.wait()释放锁之后, B 获得锁才开始执行打印;
B打印出1、2、3, 然后调用lock.notify()方法来唤醒等待这个锁的线程(A);
A被唤醒之后, 等待获得锁, 之后继续打印剩下的2和3.

下面加上一些日志, 来帮助我们理解这段代码.

    /**
 * demo3的基础上-加日志
 * 打印顺序: A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
 */
private static void demo4() {
    final Object lock = new Object();

    Thread A = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("====提示: A 等待锁...");
            synchronized (lock) {
                System.out.println("====提示: A 得到了锁 lock");
                System.out.println("A 1");
                try {
                    System.out.println("====提示: A 调用lock.wait()放弃锁的控制权,并等待...");
                    lock.wait();
                    System.out.println("====提示: A在lock.wait()之后,再次获得锁的控制权,HAHAHA");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("====提示: A线程被唤醒, 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("====提示: B 等待锁...");
            synchronized (lock) {
                System.out.println("====提示: B 得到了锁 lock");
                System.out.println("B 1");
                System.out.println("B 2");
                System.out.println("B 3");

                System.out.println("====提示: B 打印完毕, 调用 lock.notify() 方法");
                lock.notify();
                // 看看A能不能获得锁
                try {
                    System.out.println("====提示: B 调用 lock.notify()完成,睡10秒看看...");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("====提示: B 调用 lock.notify()完成,退出synchronized块");
            }
        }
    });

    A.start();
    //
    try {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50L);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    //
    B.start();
}

在其中, 我们加入了一些调皮的逻辑, 执行结果如下:

====提示: A 等待锁...
====提示: A 得到了锁 lock
A 1
====提示: A 调用lock.wait()放弃锁的控制权,并等待...
====提示: B 等待锁...
====提示: B 得到了锁 lock
B 1
B 2
B 3
====提示: B 打印完毕, 调用 lock.notify() 方法
====提示: B 调用 lock.notify()完成,睡10秒看看...
====提示: B 调用 lock.notify()完成,退出synchronized块
====提示: A在lock.wait()之后,再次获得锁的控制权,HAHAHA
====提示: A线程被唤醒, A 重新获得锁 lock
A 2
A 3

可以看到, 虽然B调用了 lock.notify()方法唤醒了某个等待的线程(A), 但因为同步代码块还未执行完, 所以没有释放这个锁; 直到睡了10秒钟, 继续执行后面的代码, 退出同步代码块之后, A 才获得执行机会.

synchronized代码块结束, 会自动释放锁.
Object#wait() 则是临时放弃锁, 进入沉睡, 必须有人唤醒(notify), 否则会睡死, 或者被超时打断.
Object#notify() 只是唤醒某个线程, 并没有释放锁.

ABC全部执行完成后再执行D

前面介绍的 thread.join() 方法, 等待另一个线程(thread)运行完成后, 当前线程才执行(: 等TA忙完了来汇合). 但如果我们使用 join 方法来等待A、B和C的话, 它将使A,B,C依次执行, 但我们希望的是他们仨同步运行.

想要达成的目标是: A,B,C 三个线程同时运行, 每个线程完成后, 通知D一声; 等A,B,C都运行完成, D才开始运行. 我们可以使用CountdownLatch 来实现这种类型的通信. 其基本用法为:

创建一个计数器(counter), 并设置初始值: CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
需要等待的线程, 调用 countDownLatch.await() 方法进入等待状态, 直到 count 值变成0为止;
其他线程调用 countDownLatch.countDown() 来将 count 值减小;
当其他线程调用 countDown() 将 count 值减小为0, 等待线程中的 countDownLatch.await() 方法将立即返回, 那么这个线程也就可以继续执行后续的代码.

实现代码如下:

private static void runDAfterABC() {
    int worker = 3;
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(worker);
    Thread D = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("D 线程即将调用 countDownLatch.await(); 等待其他线程通知. ");
            try {
                countDownLatch.await();
                System.out.println("其他线程全部执行完成, D 开始干活...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    D.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 + " 线程正在执行...");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(tN + " 线程执行完毕, 调用 countDownLatch.countDown()");
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).start();
    }
}

结果如下:

D 线程即将调用 countDownLatch.await(); 等待其他线程通知. 
A 线程正在执行...
B 线程正在执行...
C 线程正在执行...
B 线程执行完毕, 调用 countDownLatch.countDown()
C 线程执行完毕, 调用 countDownLatch.countDown()
A 线程执行完毕, 调用 countDownLatch.countDown()
其他线程全部执行完成, D 开始干活...

事实上, CountDownLatch 本身是一个倒数计数器, 我们将初始值设置为3. 当D运行时, 首先调用 countDownLatch.await() 方法检查 counter 值是否为0, 如果counter值不是则会等待. A、B和C线程在自身运行完成后, 通过 countDownLatch.countDown() 方法将 counter 值减1. 当3个线程都执行完, A, B, C将 counter 值将会减小到0; 然后,D线程中的 await() 方法就会返回, D线程将继续执行.

因此, CountDownLatch 适用于一个线程等待多个线程的场景.

运动员同时起跑的问题

假设3个运动员都确定做好预备, 然后同时起跑.

用3个线程来模拟, A,B,C线程各自准备, 等全部准备就绪, 同时开始运行. 如何用代码来实现呢?

前面介绍的CountDownLatch可以用来计数, 但计数完成后, 只会有一个线程的 await() 方法得到响应, 所以不太适合多个线程同时等待的情况.

要达到线程互相等待的效果, 可以使用 CyclicBarrier, 其基本用法为:

首先创建一个公开的 CyclicBarrier 对象, 并设置同时等待的线程数量, CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
这些线程各自进行准备, 自身准备好之后, 还需要等其他线程准备完毕, 即调用 cyclicBarrier.await() 方法来等待;
当需要同时等待的线程全部调用了 cyclicBarrier.await() 方法, 也就意味着这些线程都准备好了, 那么这些线程就可以继续执行.

注意是 Cyclic, 不是 Cycle.

实现代码如下. 假设有三个运动员同时开始赛跑, 每个人都需要等其他人准备就绪.

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 + " 需要的准备时间:" + prepareTime);
                try {
                    Thread.sleep(prepareTime);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    System.out.println(rN + " 准备完毕, 等其他人... ");
                    cyclicBarrier.await(); // 当前线程准备就绪, 等待其他人的反馈
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(rN + " 开始跑动~加速~"); // 所有线程一起开始
            }
        }).start();
    }
}

结果如下:

A 需要的准备时间: 4131
B 需要的准备时间: 6349
C 需要的准备时间: 8206
 
A  准备完毕, 等其他人... 
B  准备完毕, 等其他人... 
C  准备完毕, 等其他人... 
 
C 开始跑动~加速~
A 开始跑动~加速~
B 开始跑动~加速~

将子线程的执行结果返回给主线程

当然, 也有简单的办法, 比如使用 ConcurrentHashMap

在实际开发中, 经常需要使用新线程来执行一些耗时任务, 然后将执行结果返回给主线程.

一般情况下, 创建新线程时, 我们会将Runnable对象传给线程来执行. Runnable接口的定义如下:

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

run() 方法不返回任何结果. 那么如果想要获取返回结果时怎么办呢? 我们可以使用一个类似的接口: Callable:

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * 返回执行结果, 如果出错则可以抛出异常.
     *
     * @return 执行结果(computed result)
     * @throws Exception, 如果不能计算出结果
     */
    V call() throws Exception;
}

可以看出, Callable 最大的区别在于返回泛型结果(generics, <V>).

下面演示如何将子线程返回的结果传给主线程. Java提供了 FutureTask 类, 一般和 Callable 一起使用, 但请注意, FutureTask#get() 方法会阻塞调用的线程.

例如, 开新线程来计算金额(从1到100), 并将结果返回给主线程.

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();
    }
}

结果如下:

Before futureTask.get()
 
Task starts
Task finished and return result
 
Result: 5050
After futureTask.get()

可以看到, 主线程调用 futureTask.get() 方法时被阻塞; 然后开始执行 Callable 内部的任务并返回结果; 接着 futureTask.get() 获取结果, 主线程才继续运行.

使用 FutureTask 和 Callable, 可以直接在主线程得到子线程的执行结果, 但这会阻塞主线程. 如果不想阻塞主线程, 可以将 FutureTask 交给线程池来执行(使用ExecutorService).

多线程(Multithreading)是现代编程语言都具有的共同特征. 其中, 线程间通信(inter-thread communication), 线程同步(thread synchronization), 线程安全(thread safety) 都是非常重要的知识.

原文链接: https://www.tutorialdocs.com/article/java-inter-thread-communication.html

原文日期: 2019年01月22日

翻译日期: 2019年03月12日

翻译人员: 铁锚 - https://renfufei.blog.csdn.net/

Java进阶知识 - 多线程与线程间通信

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