Java 如何執行緒間通訊，面試被問哭。。。

阿新 • • 發佈：2021-02-07

技術標籤：Java

Java 如何執行緒間通訊，曾經小編面試被問哭的一道題。。

正常情況下，每個子執行緒完成各自的任務就可以結束了。不過有的時候，我們希望多個執行緒協同工作來完成某個任務，這時就涉及到了執行緒間通訊了。

本文涉及到的知識點：

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

下面我從幾個例子作為切入點來講解下 Java 裡有哪些方法來實現執行緒間通訊。

如何讓兩個執行緒依次執行？
如何讓兩個執行緒按照指定方式有序交叉執行呢？
四個執行緒 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行，而且 A B C 是同步執行的
三個運動員各自準備，等到三個人都準備好後，再一起跑
子執行緒完成某件任務後，把得到的結果回傳給主執行緒

如何讓兩個執行緒依次執行？

假設有兩個執行緒，一個是執行緒 A，另一個是執行緒 B，兩個執行緒分別依次列印 1-3 三個數字即可。我們來看下程式碼：

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，用來依次列印 1, 2, 3 三個數字：

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);    }}

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 是同時列印的。

那麼，如果我們希望 B 在 A 全部列印完後再開始列印呢？我們可以利用 thread.join() 方法，程式碼如下:

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 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 執行完畢。

那如何讓兩個執行緒按照指定方式有序交叉執行呢？

還是上面那個例子，我現在希望 A 在列印完 1 後，再讓 B 列印 1, 2, 3，最後再回到 A 繼續列印 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。

這裡，我們可以利用 object.wait() 和 object.notify() 兩個方法來實現。程式碼如下：

/** * 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();}

列印結果如下：

A 1 A waiting…
B 1 B 2 B 3 A 2 A 3

正是我們要的結果。

那麼，這個過程發生了什麼呢？

首先建立一個 A 和 B 共享的物件鎖 lock = new Object();
當 A 得到鎖後，先列印 1，然後呼叫 lock.wait() 方法，交出鎖的控制權，進入 wait 狀態；
對 B 而言，由於 A 最開始得到了鎖，導致 B 無法執行；直到 A 呼叫 lock.wait() 釋放控制權後， B 才得到了鎖；
B 在得到鎖後列印 1， 2， 3；然後呼叫 lock.notify() 方法，喚醒正在 wait 的 A;
A 被喚醒後，繼續列印剩下的 2，3。

為了更好理解，我在上面的程式碼里加上 log 方便讀者檢視。

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 列印完畢，呼叫 notify 方法 ");                lock.notify();            }        }    });    A.start();    B.start();}

列印結果如下:

INFO: A 等待鎖 INFO: A 得到了鎖 lock A 1 INFO: A 準備進入等待狀態，呼叫 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 列印完畢，呼叫 lock.notify() 方法 INFO: 有人喚醒了 A, A 重新獲得鎖 lock A 2 A 3

四個執行緒 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行，而且 A B C 是同步執行的

最開始我們介紹了 thread.join()，可以讓一個執行緒等另一個執行緒執行完畢後再繼續執行，那我們可以在 D 執行緒裡依次 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執行。

或者說，我們希望達到的目的是：A B C 三個執行緒同時執行，各自獨立執行完後通知 D；對 D 而言，只要 A B C 都執行完了，D 再開始執行。針對這種情況，我們可以利用 CountdownLatch 來實現這類通訊方式。它的基本用法是：

建立一個計數器，設定初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
在等待執行緒裡呼叫 countDownLatch.await() 方法，進入等待狀態，直到計數值變成 0；
在其他執行緒裡，呼叫 countDownLatch.countDown() 方法，該方法會將計數值減小 1；
當其他執行緒的 countDown() 方法把計數值變成 0 時，等待執行緒裡的 countDownLatch.await() 立即退出，繼續執行下面的程式碼。

實現程式碼如下：

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();    }}

下面是執行結果：

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定為3，當 D 執行時，先呼叫 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 各自執行完後都會利用countDownLatch.countDown()，將倒計數器減 1，當三個都執行完後，計數器被減至 0；此時立即觸發 D 的 await() 執行結束，繼續向下執行。

因此，CountDownLatch 適用於一個執行緒去等待多個執行緒的情況。

三個運動員各自準備，等到三個人都準備好後，再一起跑

上面是一個形象的比喻，針對執行緒 A B C 各自開始準備，直到三者都準備完畢，然後再同時執行。也就是要實現一種執行緒之間互相等待的效果，那應該怎麼來實現呢？

上面的 CountDownLatch 可以用來倒計數，但當計數完畢，只有一個執行緒的 await() 會得到響應，無法讓多個執行緒同時觸發。

為了實現執行緒間互相等待這種需求，我們可以利用 CyclicBarrier 資料結構，它的基本用法是：

先建立一個公共 CyclicBarrier 物件，設定同時等待的執行緒數，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
這些執行緒同時開始自己做準備，自身準備完畢後，需要等待別人準備完畢，這時呼叫 cyclicBarrier.await(); 即可開始等待別人；
當指定的同時等待的執行緒數都呼叫了 cyclicBarrier.await();時，意味著這些執行緒都準備完畢好，然後這些執行緒才同時繼續執行。

實現程式碼如下，設想有三個跑步運動員，各自準備好後等待其他人，全部準備好後才開始跑：

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();    }}

列印的結果如下：

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

子執行緒完成某件任務後，把得到的結果回傳給主執行緒

實際的開發中，我們經常要建立子執行緒來做一些耗時任務，然後把任務執行結果回傳給主執行緒使用，這種情況在 Java 裡要如何實現呢？

回顧執行緒的建立，我們一般會把 Runnable 物件傳給 Thread 去執行。Runnable定義如下：

publicinterface Runnable {    public abstract void run();}

可以看到 run() 在執行完後不會返回任何結果。那如果希望返回結果呢？這裡可以利用另一個類似的介面類 Callable：

@FunctionalInterfacepublicinterface 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 最大區別就是返回範型 V 結果。

那麼下一個問題就是，如何把子執行緒的結果回傳回來呢？在 Java 裡，有一個類是配合 Callable 使用的：FutureTask，不過注意，它獲取結果的 get 方法會阻塞主執行緒。

舉例，我們想讓子執行緒去計算從 1 加到 100，並把算出的結果返回到主執行緒。

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();    }}