Java 里如何实现线程间通信？

shuszhao

正常情况下，每个子线程完成各自的任务就可以结束了。不过有的时候，我们希望多个线程协同工作来完成某个任务，这时就涉及到了线程间通信了。
本文涉及到的知识点：thread.join(), object.wait(), object.notify(), CountdownLatch, CyclicBarrier, FutureTask, Callable 等。
本文涉及代码：
https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java
下面我从几个例子作为切入点来讲解下 Java 里有哪些方法来实现线程间通信。
如何让两个线程依次执行？
那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的
三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程
如何让两个线程依次执行？
假设有两个线程，一个是线程 A，另一个是线程 B，两个线程分别依次打印 1-3 三个数字即可。我们来看下代码：
1private static void demo1() {
2 Thread A = new Thread(new Runnable() {
3 @Override
4 public void run() {
5 printNumber(“A”);
6 }
7 });
8 Thread B = new Thread(new Runnable() {
9 @Override
10 public void run() {
11 printNumber(“B”);
12 }
13 });
14 A.start();
15 B.start();
16}
其中的 printNumber(String) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：
1private static void printNumber(String threadName) {
2 int i=0;
3 while (i++ < 3) {
4 try {
5 Thread.sleep(100);
6 } catch (InterruptedException e) {
7 e.printStackTrace();
8 }
9 System.out.println(threadName + “print:” + i);
10 }
11}
这时我们得到的结果是：
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 是同时打印的。
那么，如果我们希望 B 在 A 全部打印 完后再开始打印呢？我们可以利用 thread.join() 方法，代码如下:
1private static void demo2() {
2 Thread A = new Thread(new Runnable() {
3 @Override
4 public void run() {
5 printNumber(“A”);
6 }
7 });
8 Thread B = new Thread(new Runnable() {
9 @Override
10 public void run() {
11 System.out.println(“B 开始等待 A”);
12 try {
13 A.join();
14 } catch (InterruptedException e) {
15 e.printStackTrace();
16 }
17 printNumber(“B”);
18 }
19 });
20 B.start();
21 A.start();
22}
得到的结果如下：
B 开始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3
B print: 1
B print: 2
B print: 3
所以我们能看到 A.join() 方法会让 B 一直等待直到 A 运行完毕。
那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
还是上面那个例子，我现在希望 A 在打印完 1 后，再让 B 打印 1, 2, 3，最后再回到 A 继续打印 2, 3。这种需求下，显然 Thread.join() 已经不能满足了。我们需要更细粒度的锁来控制执行顺序。
这里，我们可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下：
1/**
2 * A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
3 */
4private static void demo3() {
5 Object lock = new Object();
6 Thread A = new Thread(new Runnable() {
7 @Override
8 public void run() {
9 synchronized (lock) {
10 System.out.println(“A 1”);
11 try {
12 lock.wait();
13 } catch (InterruptedException e) {
14 e.printStackTrace();
15 }
16 System.out.println(“A 2”);
17 System.out.println(“A 3”);
18 }
19 }
20 });
21 Thread B = new Thread(new Runnable() {
22 @Override
23 public void run() {
24 synchronized (lock) {
25 System.out.println(“B 1”);
26 System.out.println(“B 2”);
27 System.out.println(“B 3”);
28 lock.notify();
29 }
30 }
31 });
32 A.start();
33 B.start();
34}
打印结果如下：
A 1
A waiting…
B 1
B 2
B 3
A 2
A 3
正是我们要的结果。
那么，这个过程发生了什么呢？
首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
当 A 得到锁后，先打印 1，然后调用 lock.wait() 方法，交出锁的控制权，进入 wait 状态；
对 B 而言，由于 A 最开始得到了锁，导致 B 无法执行；直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后， B 才得到了锁；
B 在得到锁后打印 1， 2， 3；然后调用 lock.notify() 方法，唤醒正在 wait 的 A;
A 被唤醒后，继续打印剩下的 2，3。
为了更好理解，我在上面的代码里加上 log 方便读者查看。
1private static void demo3() {
2 Object lock = new Object();
3 Thread A = new Thread(new Runnable() {
4 @Override
5 public void run() {
6 System.out.println(“INFO: A 等待锁”);
7 synchronized (lock) {
8 System.out.println(“INFO: A 得到了锁 lock”);
9 System.out.println(“A 1”);
10 try {
11 System.out.println(“INFO: A 准备进入等待状态，放弃锁 lock 的控制权”);
12 lock.wait();
13 } catch (InterruptedException e) {
14 e.printStackTrace();
15 }
16 System.out.println(“INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock”);
17 System.out.println(“A 2”);
18 System.out.println(“A 3”);
19 }
20 }
21 });
22 Thread B = new Thread(new Runnable() {
23 @Override
24 public void run() {
25 System.out.println(“INFO: B 等待锁”);
26 synchronized (lock) {
27 System.out.println(“INFO: B 得到了锁 lock”);
28 System.out.println(“B 1”);
29 System.out.println(“B 2”);
30 System.out.println(“B 3”);
31 System.out.println(“INFO: B 打印完毕，调用 notify 方法”);
32 lock.notify();
33 }
34 }
35 });
36 A.start();
37 B.start();
38}
打印结果如下:
INFO: A 等待锁
INFO: A 得到了锁 lock
A 1
INFO: A 准备进入等待状态，调用 lock.wait() 放弃锁 lock 的控制权
INFO: B 等待锁
INFO: B 得到了锁 lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B 打印完毕，调用 lock.notify() 方法
INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock
A 2
A 3
四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的
最开始我们介绍了 thread.join()，可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行，那我们可以在 D 线程里依次 join A B C，不过这也就使得 A B C 必须依次执行，而我们要的是这三者能同步运行。
或者说，我们希望达到的目的是：A B C 三个线程同时运行，各自独立运行完后通知 D；对 D 而言，只要 A B C 都运行完了，D 再开始运行。针对这种情况，我们可以利用 CountdownLatch 来实现这类通信方式。它的基本用法是：
创建一个计数器，设置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
在 等待线程 里调用 countDownLatch.await() 方法，进入等待状态，直到计数值变成 0；
在 其他线程 里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减小 1；
当 其他线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时，等待线程 里的 countDownLatch.await() 立即退出，继续执行下面的代码。
实现代码如下：
1private static void runDAfterABC() {
2 int worker = 3;
3 CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(worker);
4 new Thread(new Runnable() {
5 @Override
6 public void run() {
7 System.out.println(“D is waiting for other three threads”);
8 try {
9 countDownLatch.await();
10 System.out.println(“All done, D starts working”);
11 } catch (InterruptedException e) {
12 e.printStackTrace();
13 }
14 }
15 }).start();
16 for (char threadName=’A’; threadName <= ‘C’; threadName++) {
17 final String tN = String.valueOf(threadName);
18 new Thread(new Runnable() {
19 @Override
20 public void run() {
21 System.out.println(tN + “is working”);
22 try {
23 Thread.sleep(100);
24 } catch (Exception e) {
25 e.printStackTrace();
26 }
27 System.out.println(tN + “finished”);
28 countDownLatch.countDown();
29 }
30 }).start();
31 }
32}
下面是运行结果：
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
其实简单点来说，CountDownLatch 就是一个倒计数器，我们把初始计数值设置为3，当 D 运行时，先调用 countDownLatch.await() 检查计数器值是否为 0，若不为 0 则保持等待状态；当A B C 各自运行完后都会利用countDownLatch.countDown()，将倒计数器减 1，当三个都运行完后，计数器被减至 0；此时立即触发 D 的 await() 运行结束，继续向下执行。
因此，CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的情况。
三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
上面是一个形象的比喻，针对 线程 A B C 各自开始准备，直到三者都准备完毕，然后再同时运行 。也就是要实现一种 线程之间互相等待 的效果，那应该怎么来实现呢？
上面的 CountDownLatch 可以用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的 await() 会得到响应，无法让多个线程同时触发。
为了实现线程间互相等待这种需求，我们可以利用 CyclicBarrier 数据结构，它的基本用法是：
先创建一个公共 CyclicBarrier 对象，设置 同时等待 的线程数，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
这些线程同时开始自己做准备，自身准备完毕后，需要等待别人准备完毕，这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人；
当指定的 同时等待 的线程数都调用了 cyclicBarrier.await();时，意味着这些线程都准备完毕好，然后这些线程才 同时继续执行。
实现代码如下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其他人，全部准备好后才开始跑：
1private static void runABCWhenAllReady() {
2 int runner = 3;
3 CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(runner);
4 final Random random = new Random();
5 for (char runnerName=’A’; runnerName <= ‘C’; runnerName++) {
6 final String rN = String.valueOf(runnerName);
7 new Thread(new Runnable() {
8 @Override
9 public void run() {
10 long prepareTime = random.nextInt(10000) + 100;
11
12 System.out.println(rN + “is preparing for time:” + prepareTime);
13 try {
14 Thread.sleep(prepareTime);
15 } catch (Exception e) {
16 e.printStackTrace();
17 }
18 try {
19 System.out.println(rN + “is prepared, waiting for others”);
20 cyclicBarrier.await(); // 当前运动员准备完毕，等待别人准备好
21 } catch (InterruptedException e) {
22 e.printStackTrace();
23 } catch (BrokenBarrierException e) {
24 e.printStackTrace();
25 }
26 System.out.println(rN + “starts running”); // 所有运动员都准备好了，一起开始跑
27 }
28 }).start();
29 }
30}
31 }
打印的结果如下：
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
子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程
实际的开发中，我们经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在 Java 里要如何实现呢？
回顾线程的创建，我们一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义如下：
1public interface Runnable {
public abstract void run();
}
可以看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类 Callable：
1@FunctionalInterface
2public interface Callable {
3 /**
4 * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
5 *
6 * @return computed result
7 * @throws Exception if unable to compute a result
8 */
9 V call() throws Exception;
10}
可以看出 Callable 最大区别就是返回范型 V 结果。
那么下一个问题就是，如何把子线程的结果回传回来呢？在 Java 里，有一个类是配合 Callable 使用的：FutureTask，不过注意，它获取结果的 get 方法会阻塞主线程。
举例，我们想让子线程去计算从 1 加到 100，并把算出的结果返回到主线程。
1private static void doTaskWithResultInWorker() {
2 Callable callable = new Callable() {
3 @Override
4 public Integer call() throws Exception {
5 System.out.println(“Task starts”);
6 Thread.sleep(1000);
7 int result = 0;
8 for (int i=0; i<=100; i++) {
9 result += i;
10 }
11 System.out.println(“Task finished and return result”);
12 return result;
13 }
14 };
15 FutureTask futureTask = new FutureTask<>(callable);
16 new Thread(futureTask).start();
17 try {
18 System.out.println(“Before futureTask.get()”);
19 System.out.println(“Result:” + futureTask.get());
20 System.out.println(“After futureTask.get()”);
21 } catch (InterruptedException e) {
22 e.printStackTrace();
23 } catch (ExecutionException e) {
24 e.printStackTrace();
25 }
26}
打印结果如下：
Before futureTask.get()
Task starts
Task finished and return result
Result: 5050
After futureTask.get()
可以看到，主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程；然后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 futureTask.get() 得到结果，主线程恢复运行。
这里我们可以学到，通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到线程池去管理执行。
小结
多线程是现代语言的共同特性，而线程间通信、线程同步、线程安全是很重要的话题。本文针对 Java 的线程间通信进行了大致的讲解，后续还会对线程同步、线程安全进行讲解

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