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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:

  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:

 

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?

  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。

 

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:

  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:

 

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:

  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:

 

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。