浅析Java中如何实现线程之间通信
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。
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？
- 那如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
- 四个线程ABCD，其中D要等到ABC全执行完毕后才执行，而且ABC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：
privatestaticvoiddemo1(){
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
printNumber("A");
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
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：
privatestaticvoidprintNumber(StringthreadName){
inti=0;
while(i++<3){
try{
Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadName+"print:"+i);
}
}
这时我们得到的结果是：
Bprint:1
Aprint:1
Bprint:2
Aprint:2
Bprint:3
Aprint: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:
privatestaticvoiddemo2(){
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
printNumber("A");
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("B开始等待A");
try{
A.join();
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
printNumber("B");
}
});
B.start();
A.start();
}
得到的结果如下：
B开始等待A
Aprint:1
Aprint:2
Aprint:3
Bprint:1
Bprint:2
Bprint: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。
那如何让两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()和object.notify()两个方法来实现。代码如下：
/**
*A1,B1,B2,B3,A2,A3
*/
privatestaticvoiddemo3(){
Objectlock=newObject();
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
synchronized(lock){
System.out.println("A1");
try{
lock.wait();
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("A2");
System.out.println("A3");
}
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
synchronized(lock){
System.out.println("B1");
System.out.println("B2");
System.out.println("B3");
lock.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
打印结果如下：
A1
Awaiting...
B1
B2
B3
A2
A3
正是我们要的结果。
那么，这个过程发生了什么呢？
- 首先创建一个A和B共享的对象锁lock=newObject();
- 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；
- 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；
- 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;
- 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。
privatestaticvoiddemo3(){
Objectlock=newObject();
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("INFO:A等待锁");
synchronized(lock){
System.out.println("INFO:A得到了锁lock");
System.out.println("A1");
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(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("INFO:有人唤醒了A,A重新获得锁lock");
System.out.println("A2");
System.out.println("A3");
}
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("INFO:B等待锁");
synchronized(lock){
System.out.println("INFO:B得到了锁lock");
System.out.println("B1");
System.out.println("B2");
System.out.println("B3");
System.out.println("INFO:B打印完毕，调用notify方法");
lock.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
打印结果如下:
INFO:A等待锁
INFO:A得到了锁lock
A1
INFO:A准备进入等待状态，调用lock.wait()放弃锁lock的控制权
INFO:B等待锁
INFO:B得到了锁lock
B1
B2
B3
INFO:B打印完毕，调用lock.notify()方法
INFO:有人唤醒了A,A重新获得锁lock
A2
A3
四个线程ABCD，其中D要等到ABC全执行完毕后才执行，而且ABC是同步运行的
最开始我们介绍了thread.join()，可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行，那我们可以在D线程里依次joinABC，不过这也就使得ABC必须依次执行，而我们要的是这三者能同步运行。
或者说，我们希望达到的目的是：ABC三个线程同时运行，各自独立运行完后通知D；对D而言，只要ABC都运行完了，D再开始运行。针对这种情况，我们可以利用CountdownLatch来实现这类通信方式。它的基本用法是：
- 创建一个计数器，设置初始值，CountdownLatchcountDownLatch=newCountDownLatch(2);
- 在等待线程里调用countDownLatch.await()方法，进入等待状态，直到计数值变成0；
- 在其他线程里，调用countDownLatch.countDown()方法，该方法会将计数值减小1；
- 当其他线程的countDown()方法把计数值变成0时，等待线程里的countDownLatch.await()立即退出，继续执行下面的代码。
实现代码如下：
privatestaticvoidrunDAfterABC(){
intworker=3;
CountDownLatchcountDownLatch=newCountDownLatch(worker);
newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("Diswaitingforotherthreethreads");
try{
countDownLatch.await();
System.out.println("Alldone,Dstartsworking");
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
for(charthreadName='A';threadName<='C';threadName++){
finalStringtN=String.valueOf(threadName);
newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println(tN+"isworking");
try{
Thread.sleep(100);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(tN+"finished");
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
}
下面是运行结果：
Diswaitingforotherthreethreads
Aisworking
Bisworking
Cisworking
Afinished
Cfinished
Bfinished
Alldone,Dstartsworking
其实简单点来说，CountDownLatch就是一个倒计数器，我们把初始计数值设置为3，当D运行时，先调用countDownLatch.await()检查计数器值是否为0，若不为0则保持等待状态；当ABC各自运行完后都会利用countDownLatch.countDown()，将倒计数器减1，当三个都运行完后，计数器被减至0；此时立即触发D的await()运行结束，继续向下执行。
因此，CountDownLatch适用于一个线程去等待多个线程的情况。
三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
上面是一个形象的比喻，针对线程ABC各自开始准备，直到三者都准备完毕，然后再同时运行。也就是要实现一种线程之间互相等待的效果，那应该怎么来实现呢？
上面的CountDownLatch可以用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的await()会得到响应，无法让多个线程同时触发。
为了实现线程间互相等待这种需求，我们可以利用CyclicBarrier数据结构，它的基本用法是：
- 先创建一个公共CyclicBarrier对象，设置同时等待的线程数，CyclicBarriercyclicBarrier=newCyclicBarrier(3);
- 这些线程同时开始自己做准备，自身准备完毕后，需要等待别人准备完毕，这时调用cyclicBarrier.await();即可开始等待别人；
- 当指定的同时等待的线程数都调用了cyclicBarrier.await();时，意味着这些线程都准备完毕好，然后这些线程才同时继续执行。
实现代码如下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其他人，全部准备好后才开始跑：
privatestaticvoidrunABCWhenAllReady(){
intrunner=3;
CyclicBarriercyclicBarrier=newCyclicBarrier(runner);
finalRandomrandom=newRandom();
for(charrunnerName='A';runnerName<='C';runnerName++){
finalStringrN=String.valueOf(runnerName);
newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
longprepareTime=random.nextInt(10000)+100;
System.out.println(rN+"ispreparingfortime:"+prepareTime);
try{
Thread.sleep(prepareTime);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
try{
System.out.println(rN+"isprepared,waitingforothers");
cyclicBarrier.await();//当前运动员准备完毕，等待别人准备好
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(rN+"startsrunning");//所有运动员都准备好了，一起开始跑
}
}).start();
}
}
打印的结果如下：
Aispreparingfortime:4131
Bispreparingfortime:6349
Cispreparingfortime:8206
Aisprepared,waitingforothers
Bisprepared,waitingforothers
Cisprepared,waitingforothers
Cstartsrunning
Astartsrunning
Bstartsrunning
子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程
实际的开发中，我们经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在Java里要如何实现呢？
回顾线程的创建，我们一般会把Runnable对象传给Thread去执行。Runnable定义如下：
publicinterfaceRunnable{
publicabstractvoidrun();
}
可以看到run()在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类Callable：
@FunctionalInterface publicinterfaceCallable{ /** *Computesaresult,orthrowsanexceptionifunabletodoso. * *@returncomputedresult *@throwsExceptionifunabletocomputearesult */ Vcall()throwsException; }
可以看出Callable最大区别就是返回范型V结果。
那么下一个问题就是，如何把子线程的结果回传回来呢？在Java里，有一个类是配合Callable使用的：FutureTask，不过注意，它获取结果的get方法会阻塞主线程。
举例，我们想让子线程去计算从1加到100，并把算出的结果返回到主线程。
privatestaticvoiddoTaskWithResultInWorker(){
Callablecallable=newCallable(){
@Override
publicIntegercall()throwsException{
System.out.println("Taskstarts");
Thread.sleep(1000);
intresult=0;
for(inti=0;i<=100;i++){
result+=i;
}
System.out.println("Taskfinishedandreturnresult");
returnresult;
}
};
FutureTaskfutureTask=newFutureTask<>(callable);
newThread(futureTask).start();
try{
System.out.println("BeforefutureTask.get()");
System.out.println("Result:"+futureTask.get());
System.out.println("AfterfutureTask.get()");
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}catch(ExecutionExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
打印结果如下：
BeforefutureTask.get()
Taskstarts
Taskfinishedandreturnresult
Result:5050
AfterfutureTask.get()
可以看到，主线程调用futureTask.get()方法时阻塞主线程；然后Callable内部开始执行，并返回运算结果；此时futureTask.get()得到结果，主线程恢复运行。
这里我们可以学到，通过FutureTask和Callable可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用ExecutorService，把FutureTask放到线程池去管理执行。
小结
多线程是现代语言的共同特性，而线程间通信、线程同步、线程安全是很重要的话题。本文针对Java的线程间通信进行了大致的讲解，后续还会对线程同步、线程安全进行讲解。希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持毛票票。