Java 如何實現執行緒間通訊？（notify、join、CountdownLatch、CyclicBarrier、FutureTask、Callable ）
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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
1、如何讓兩個執行緒依次執行？
private static void demo1() { Thread A = new Thread(new Runnable() { @Overridepublic void run() { printNumber("A"); } }); Thread B = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { printNumber("B"); } }); A.start(); B.start(); } 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
2、讓 兩個執行緒按照指定方式有序交叉執行
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
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。
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 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。
4、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。
但這種實現的 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> { 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(Thread.currentThread()+"--2-->Task starts"); Thread.sleep(1000); int result = 0; for (int i = 0; i <= 100; i++) { result += i; } System.out.println(Thread.currentThread() + "--3-->Task finished and return result"); return result; } }; FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable); new Thread(futureTask).start(); try { System.out.println(Thread.currentThread() + "--1-->Before futureTask.get()"); System.out.println(Thread.currentThread() + "--8-->Result: " + futureTask.get()); System.out.println(Thread.currentThread() + "--9-->After futureTask.get()"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } 結果： Thread[main,5,main] --1-->Before futureTask.get() Thread[Thread-0,5,main] --2-->Task starts Thread[Thread-0,5,main] --3-->Task finished and return result Thread[main,5,main] --8-->Result: 5050 Thread[main,5,main] --9-->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。