如何在java中实现线程间的通信【翻译】

于 2019-02-20 11:22:25 发布
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分类专栏： JAVA 文章标签： java 多线程
本文深入探讨Java中线程通信的多种方式，包括使用join(), wait(), notify(), CountdownLatch, CyclicBarrier等方法实现线程间的同步与协作，以及如何通过FutureTask和Callable接口从子线程获取结果。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

原文地址

虽然在通常情况下每个子线程仅需要完成自己的任务即可，但是有时候我们会需要不同的线程一起协作解决某个问题，此时便需要进行线程之间的通信了。
以下的这些方法或者类将会在接下来的内容中提及：

hread.join(), object.wait(), object.notify(), CountdownLatch, CyclicBarrier, FutureTask, Callable, etc.

我将会用一些例子来讲解如何在java中实现线程间的通信。

如何使得两个线程按顺序执行

假设有两个线程：线程A与线程B。两个线程都可以按顺序打印1-3。

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();
}

相同的printNumber方法：

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);
    }
}

运行结果如下：

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

我们可以看见线程A与线程B相同时间里面打出了相同的数字。
现在，假如我们想让线程B在线程A打印完成后再进行打印，我们该如何做？
我们可以使用thread.join()方法：

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 starts waiting for A");
            try {
                A.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            printNumber("B");
        }
    });
    B.start();
    A.start();
}

结果如下：

B starts waiting for A
A print: 1
A print: 2
A print: 3
 
B print: 1
B print: 2
B print: 3

小结：我们可以使用A.join()来使得线程B在线程A完成以后再执行。

如何使两个线程按指定的方式有序执行？

现在我们想让线程B在线程A答打印1后连续打印出1,2,3然后线程A再继续打印2,3？显然，我们需要更多的细粒度锁来控制执行顺序。
接下来，我们将介绍一下object.wait()与object.notify()这两个方法。

 * 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();
}

结果如下：

A 1
A waiting…
 
B 1
B 2
B 3
A 2
A 3

接下来让我们思考一下发生了什么？

  1. 首先我们创建了对象lock，这个对象被线程A与线程B共用：lock = new Object().
  2. 当线程A得到lock的时候，它首先打印了1，然后调用了lock.wait()方法，此方法使得线程A进入等待状态并交出了lock的控制权。
  3. 线程B直到线程A调用了lock.wait()释放控制权并且其得到lock以后才会进行执行。
  4. 在得到lock的控制权以后，线程B开始执行并打印1，2，3，接着调用lock.notify()方法唤醒正在等待的线程A
  5. 线程A继续执行

接下来的代码便于理解：

private static void demo3() {
    Object lock = new Object();
    Thread A = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("INFO: A is waiting for the lock");
            synchronized (lock) {
                System.out.println("INFO: A got the lock");
                System.out.println("A 1");
                try {
                    System.out.println("INFO: A is ready to enter the wait state, giving up control of the lock");
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("INFO: B wakes up A, and A regains the 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 is waiting for the lock");
            synchronized (lock) {
                System.out.println("INFO: B got the lock");
                System.out.println("B 1");
                System.out.println("B 2");
                System.out.println("B 3");
                System.out.println("INFO: B ends printing, and calling the notify method");
                lock.notify();
            }
        }
    });
    A.start();
    B.start();

结果：

INFO: A is waiting for the lock
INFO: A got the lock
A 1
INFO: A is ready to enter the wait state, giving up control of the lock
INFO: B is waiting for the lock
INFO: B got the lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B ends printing, and calling the notify method
INFO: B wakes up A, and A regains the lock
A 2
A 3

小结：
1.object.wait()与object.notify()两者必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）
2.调用某个对象的wait()方法，相当于让当前线程交出此对象的monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁（Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间，从而让其他线程有机会继续执行，但它并不释放对象锁）；
3.notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程，当有多个线程都在等待该对象的monitor的话，则只能唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程则不得而知。

让线程D在线程A，B，C执行完成以后同步执行

thread.join()方法可以是一个线程在等待其他线程结束后在执行。如果我们在线程D里面依次加入A.join(),B.join(),C.join()，此时他们会顺序执行（A->B->C）而不是我们所希望的同步执行。
我们要达到的目标是：A、B、C三个线程可以同时运行，各自独立完成运行后通知D；A、B、C三个线程都完成运行后，D才会开始运行。所以我们使用CountdownLatch类来实现。其基础实现如下：

  1. 初始化一个counter：CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3;
  2. 在等待线程中调用countdownloach.wait（）方法，进入等待状态，直到count值变为0；
  3. 在其他线程中调用countdownloach.countdown（）方法，该方法将使count值减少一个；
  4. 当其他线程中的countdown（）方法将count值变为0时，等待线程中的countdownloatch.wait（）方法将立即退出并继续执行以下代码。

代码如下：

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();
    }
}

结果如下：

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

事实上，countdownloatch本身就是一个倒计时计数器，我们将初始计数值设置为3。当D运行时，首先调用countdownmatch.wait（）方法检查计数器值是否为0，如果不是0，则保持等待状态。A、B和C分别运行完后，将使用countdownloach.countdown（）方法将倒计时计数器递减1。当所有的三个都运行完后，计数器将减少到0；然后，将触发D的wait（）方法以结束A、B和C，D将开始执行。
因此，countdownloatch适合于一个线程需要等待多个线程的情况。

如何让三个线程同步执行

三个线程者分开准备，然后在每个线程准备好后，他们开始同时执行。
这一次，三个线程A、B和C中的每一个都需要分别准备，然后在三个线程都准备好之后，它们开始同时运行。我们应该如何做到？
上面的countdownloatch可以用来倒计时，但是当计数完成时，只有一个线程的await（）方法会得到响应，因此不能同时触发多个线程。
为了达到线程相互等待的效果，我们可以使用cyclicBarrier类，其基本用途是：

  1. 首先创建一个公共对象cyclicbarrier，并设置同时等待的线程数，cyclicbarrier cyclicbarrier=new cyclicbarrier（3）；
  2. 这些线程同时开始准备。准备好后，需要等待其他人完成准备，所以调用cyclicBarrier.wait（）方法等待其他人；
  3. 当需要同时等待的指定线程都调用cyclicBarrier.await（）方法时，这意味着这些线程已经准备好了，那么这些线程将开始同时继续执行。

代码：

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(); // The current runner is ready, waiting for others to be ready
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(rN + "starts running"); // All the runners are ready to start running together
            }
        }).start();
    }
}

小结：其实CyclicBarrier与CountDownLatch类似，都是计数器，只是场景不一样而已。

子线程将结果返回到主线程

在实际的开发中，我们通常需要创建子线程来完成一些耗时的任务，然后将执行结果传递回主线程。那么如何在Java中实现这一点呢？
因此，一般来说，在创建线程时，我们会将可运行对象传递给线程以供执行。runnable的定义如下：

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

您可以看到run（）方法在执行后不返回任何结果。那么如果你想返回结果呢？在这里，您可以使用另一个类似的可调用接口类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的最大区别在于它返回泛型。
所以下一个问题是，如何将子线程的结果传递回来？Java有一个类FutureTask，它可以与Callable一起工作，但是注意获得结果的get方法会阻塞主线程。
例如，我们希望子线程计算1到100之间的和，并将结果返回到主线程。

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：

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

可以看出，当主线程调用futuretask.get（）方法时，它会阻塞主线程；然后可调用文件开始在内部执行并返回操作结果；然后futuretask.get（）得到结果，主线程继续运行。
在这里我们可以了解到FutureTask和Callable可以直接在主线程中得到子线程的结果，但是它们会阻塞主线程。当然，如果不想阻塞主线程，可以考虑使用ExecutorService将FutureTask放入线程池来管理执行。

小结

多线程是现代语言的一个常见特性，线程间通信、线程同步和线程安全是非常重要的主题。

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