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你知道 Java 是如何實現執行緒間通訊的嗎？

阿新 • • 發佈：2020-08-03

你知道 Java 是如何實現執行緒間通訊的嗎？

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本文涉及到的知識點：

  1. thread.join(),

  2. object.wait(),

  3. object.notify(),

  4. CountdownLatch,

  5. CyclicBarrier,

  6. FutureTask,

  7. Callable 。

本文涉及程式碼：
https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java

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。

  1. 如何讓兩個執行緒依次執行？

  2. 那如何讓 兩個執行緒按照指定方式有序交叉執行呢？

  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

  4. 三個運動員各自準備，等到三個人都準備好後，再一起跑

  5. 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：

privatestaticvoiddemo1(){
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
 
publicvoidrun(){
printNumber("A");
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
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：

privatestaticvoidprintNumber(StringthreadName){
inti=0;
while(i++<3){
try{
Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedExceptione){
 
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:

privatestaticvoiddemo2(){
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
printNumber("A");
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("B開始等待A");
try{
A.join();
}catch(InterruptedExceptione){
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：

/**
*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();
}

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？

  1. 首先建立一個 A 和 B 共享的物件鎖 lock = new Object();

  2. 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；

  3. 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；

  4. 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;

  5. 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。

privatestaticvoiddemo3(){
Objectlock=newObject();
ThreadA=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("INFO:A等待鎖");
synchronized(lock){
System.out.println("INFO:A得到了鎖lock");
System.out.println("A1");
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(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("INFO:有人喚醒了A,A重新獲得鎖lock");
System.out.println("A2");
System.out.println("A3");
}
}
});
ThreadB=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
System.out.println("INFO:B等待鎖");
synchronized(lock){
System.out.println("INFO:B得到了鎖lock");
System.out.println("B1");
System.out.println("B2");
System.out.println("B3");
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：

  1. 建立一個計數器，設定初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);

  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；

  3. 在 其他執行緒 裡，呼叫 countDownLatch.countDown() 方法，該方法會將計數值減小 1；

  4. 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：

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：

  1. 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);

  2. 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；

  3. 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：

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();//當前運動員準備完畢，等待別人準備好
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(rN+"startsrunning");//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：

publicinterfaceRunnable{
publicabstractvoidrun();
}

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：

@FunctionalInterface
publicinterfaceCallable<V>{
/**
*Computesaresult,orthrowsanexceptionifunabletodoso.
*
*@returncomputedresult
*@throwsExceptionifunabletocomputearesult
*/
Vcall()throwsException;
}

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。

privatestaticvoiddoTaskWithResultInWorker(){
Callable<Integer>callable=newCallable<Integer>(){
@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;
}
};
FutureTask<Integer>futureTask=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();
}
}

列印結果如下：

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

可以看到，主執行緒呼叫 futureTask.get() 方法時阻塞主執行緒；然後 Callable 內部開始執行，並返回運算結果；此時 futureTask.get() 得到結果，主執行緒恢復執行。

這裡我們可以學到，通過 FutureTask 和 Callable 可以直接在主執行緒獲得子執行緒的運算結果，只不過需要阻塞主執行緒。當然，如果不希望阻塞主執行緒，可以考慮利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到執行緒池去管理執行。

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