Java线程间通信实现

本文源自微信公众号Java知音 http://wingjay.com author：wingjay

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：

1. thread.join()，

2. object.wait()，

3. object.notify()，

4. CountdownLatch，

5. CycliBarrier，

6. FutureTask，

7. Callable。

下面从几个例子作为切入点来讲解Java里有哪些方法来实现线程间通信。

1. 如何让两个线程依次执行？

2. 如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行？

3. 四个线程A B C D，其中D要等到A B C全执行完毕后执行，而且A B C是同步运行的？

4. 三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑。

5. 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。代码如下：

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();
}

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);
    }
}

得到的结果如下：

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。

那么如果希望B在A全部打印完后再开始打印，可以利用thread.join()方法，代码如下：

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.print("B开始等待A");
            try {
                A.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            printNumber("B");
        }
    });
    B.start();
    A.start();
}

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。

如何让两个线程被按照指定方式有序交叉运行呢？

还是上面的例子，我们现在希望A再打印完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，我们利用object.wait()和object.notify()两个方法来实现。代码如下：

/**
 * A1，B1，B2，B3，A2，A3
 */
private static void demo3() {
    Object lock = new Object();
    Thread A = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("A1");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("A2");
                System.out.println("A3");
            }
        }
    });
    Thread B = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("B1");
                System.out.println("B2");
                System.out.println("B3");
                lock.notify();
            }
        }
    });
    A.start();
    B.start();
}

打印结果如下：

A1
A waiting...
B1
B2
B3
A2
A3

这个过程发生的流程：

1. 首先创建一个A和B共享的对象锁lock = new Object();

2. 当A得到锁后，先打印A1，然后调用lock.wait()方法，交出锁的控制权，进入wait状态;

3. 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；

4. 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；

5. A被唤醒后，继续打印剩下的2，3。

四个线程A B C D，其中D要等到A B C全执行完毕后执行，而且A B C是同步运行的？

最开始我们介绍了thread.join()，可以让一个线程等待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：

1. 创建一个计数器，设置初始值，CountdownLacth countDownLatch = new CountDownLatch(2);

2. 在等待线程里调用countDownLatch.await()方法，进入等待状态，直到计数值变为0；

3. 在其他线程里，调用countDownLatch.countDown()方法，该方法会将计数值减小1；

4. 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：

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();
    }
}

运行结果如下：

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

其实简单来说，CountDownLatch就是一个倒计数器，我们把初始数值设置为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相互等待的效果，那应该怎么来实现呢？

上面的CountDownLatch可以用来倒计数，但当计数完毕后，只有一个线程的await()会得到响应，无法让多个线程同时触发。

为了实现线程间相互等待这种需求，我们可以利用CycliBarrier数据结构，它的基本用法是：

1. 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);

2.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；

3. 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，然后这些线程才同时继续执行。

实现代码如下：

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: " + preapreTime);
                try {
                    Thread.sleep(prepareTime);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    System.out.println(rN + " is prepared，waiting for others");
                    cyclicBarrier.await();//当前运动员准备完毕，等待别人准备好
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(rN + " starts running");//所有运动员都准备好了，一起开始跑
            }
        }).start();
    }
}

打印结果如下：

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：

public 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：

@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 computer a result
     */
    V call() throws Exception;
}

可以看出Callable最大区别就是泛型V结果。

那么如何把子线程的结果回传回来呢？在Java里，有一个类时配合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。

private static void doTaskWithResultInWorker() {
    Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            System.out.println("Task starts");
            Thread.sleep(1000);
            int result = 0;
            for (int = 0; i <= 100; i++) {
                result += i;
            }
            System.out.println("Task finished and return result");
            return result;
        }
    };
    FutureTask<Integer> 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();
    }
}

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。

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。

实现代码如下：

public class TestExecutorService {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        new TestExecutorService().exec();
    }
    void exec() throws InterruptedExceptin, ExecutionException {
        //进行异步任务列表
        List<FutureTask<Integer>> futureTasks = new ArrayList<FutureTask<Integer>>();
        //线程池 初始化10个线程
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        long start = System.currentTimeMillis();
        Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                System.out.println("Task starts");
                Integer res = new Random().nextInt(100);
                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;
            }
        };
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            //创建一个异步任务
            FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
            futureTasks.add(futureTask);
            //提交异步任务到线程池，让线程池管理任务，由于时异步并行任务，并不会阻塞
            executorService.submit(futureTask);
        }
        int count = 0;
        for (FutureTask<Integer> futureTask : futureTasks) {
            //该方法包含一个重载get(long timeout, TimeUnit unit)参数1为最大等待时间，参数二为时间单位
            count += futureTask.get();
        }
        
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("线程池的任务全部完成，结果为：" + count + ",main线程已关闭，进行线程的清理");
        System.out.println("使用时间：" + (end - start) + "ms");
        //清理线程
        executorService.shutdown();
    }
}

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