Java 如何實現執行緒間通訊？
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：
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thread.join(),
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object.wait(),
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object.notify(),
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CountdownLatch,
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CyclicBarrier,
-
FutureTask,
-
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。
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如何讓兩個執行緒依次執行？
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那如何讓 兩個執行緒按照指定方式有序交叉執行呢？
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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
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三個運動員各自準備，等到三個人都準備好後，再一起跑
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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() {
public void run() {
printNumber("A");
}
});
Thread B = new Thread(new Runnable() {
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: 3B 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？
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首先建立一個 A 和 B 共享的物件鎖 lock = new Object();
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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；
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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；
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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;
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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：
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建立一個計數器，設定初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
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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；
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在 其他執行緒 裡，呼叫 countDownLatch.countDown() 方法，該方法會將計數值減小 1；
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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 workingA 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：
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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);
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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；
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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：
public interface 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：
@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 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 callable = new Callable() {
@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 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();
}
}
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。
小結
多執行緒是現代語言的共同特性，而執行緒間通訊、執行緒同步、執行緒安全是很重要的話題。本文針對 Java 的執行緒間通訊進行了大致的講解，後續還會對執行緒同步、執行緒安全進行講解。