5 Java线程间的通信
合理的使用Java多线程可以更好地利用服务器资源。一般来讲,线程内部有自己私有的线程上下文,互不干扰。但是当我们需要多个线程之间相互协作的时候,就需要我们掌握Java线程的通信方式。本文将介绍Java线程之间的几种通信原理。

5.1 锁与同步

在Java中,锁的概念都是基于对象的,所以我们又经常称它为对象锁。线程和锁的关系,我们可以用婚姻关系来理解。一个锁同一时间只能被一个线程持有。也就是说,一个锁如果和一个线程“结婚”(持有),那其他线程如果需要得到这个锁,就得等这个线程和这个锁“离婚”(释放)。
在我们的线程之间,有一个同步的概念。什么是同步呢,假如我们现在有2位正在抄暑假作业答案的同学:线程A和线程B。当他们正在抄的时候,老师突然来修改了一些答案,可能A和B最后写出的暑假作业就不一样。我们为了A,B能写出2本相同的暑假作业,我们就需要让老师先修改答案,然后A,B同学再抄。或者A,B同学先抄完,老师再修改答案。这就是线程A,线程B的线程同步。
可以以解释为:线程同步是线程之间按照一定的顺序执行。
为了达到线程同步,我们可以使用锁来实现它。
我们先来看看一个无锁的程序:
1
public class NoneLock {
2
3
static class ThreadA implements Runnable {
4
@Override
5
public void run() {
6
for (int i = 0; i < 100; i++) {
7
System.out.println("Thread A " + i);
8
}
9
}
10
}
11
12
static class ThreadB implements Runnable {
13
@Override
14
public void run() {
15
for (int i = 0; i < 100; i++) {
16
System.out.println("Thread B " + i);
17
}
18
}
19
}
20
21
public static void main(String[] args) {
22
new Thread(new ThreadA()).start();
23
new Thread(new ThreadB()).start();
24
}
25
}
Copied!
执行这个程序,你会在控制台看到,线程A和线程B各自独立工作,输出自己的打印值。如下是我的电脑上某一次运行的结果。每一次运行结果都会不一样。
1
....
2
Thread A 48
3
Thread A 49
4
Thread B 0
5
Thread A 50
6
Thread B 1
7
Thread A 51
8
Thread A 52
9
....
Copied!
那我现在有一个需求,我想等A先执行完之后,再由B去执行,怎么办呢?最简单的方式就是使用一个“对象锁”:
1
public class ObjectLock {
2
private static Object lock = new Object();
3
4
static class ThreadA implements Runnable {
5
@Override
6
public void run() {
7
synchronized (lock) {
8
for (int i = 0; i < 100; i++) {
9
System.out.println("Thread A " + i);
10
}
11
}
12
}
13
}
14
15
static class ThreadB implements Runnable {
16
@Override
17
public void run() {
18
synchronized (lock) {
19
for (int i = 0; i < 100; i++) {
20
System.out.println("Thread B " + i);
21
}
22
}
23
}
24
}
25
26
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
27
new Thread(new ThreadA()).start();
28
Thread.sleep(10);
29
new Thread(new ThreadB()).start();
30
}
31
}
Copied!
这里声明了一个名字为lock的对象锁。我们在ThreadAThreadB内需要同步的代码块里,都是用synchronized关键字加上了同一个对象锁lock
上文我们说到了,根据线程和锁的关系,同一时间只有一个线程持有一个锁,那么线程B就会等线程A执行完成后释放lock,线程B才能获得锁lock
这里在主线程里使用sleep方法睡眠了10毫秒,是为了防止线程B先得到锁。因为如果同时start,线程A和线程B都是出于就绪状态,操作系统可能会先让B运行。这样就会先输出B的内容,然后B执行完成之后自动释放锁,线程A再执行。

5.2 等待/通知机制

上面一种基于“锁”的方式,线程需要不断地去尝试获得锁,如果失败了,再继续尝试。这可能会耗费服务器资源。
而等待/通知机制是另一种方式。
Java多线程的等待/通知机制是基于Object类的wait()方法和notify(), notifyAll()方法来实现的。
notify()方法会随机叫醒一个正在等待的线程,而notifyAll()会叫醒所有正在等待的线程。
前面我们讲到,一个锁同一时刻只能被一个线程持有。而假如线程A现在持有了一个锁lock并开始执行,它可以使用lock.wait()让自己进入等待状态。这个时候,lock这个锁是被释放了的。
这时,线程B获得了lock这个锁并开始执行,它可以在某一时刻,使用lock.notify(),通知之前持有lock锁并进入等待状态的线程A,说“线程A你不用等了,可以往下执行了”。
需要注意的是,这个时候线程B并没有释放锁lock,除非线程B这个时候使用lock.wait()释放锁,或者线程B执行结束自行释放锁,线程A才能得到lock锁。
我们用代码来实现一下:
1
public class WaitAndNotify {
2
private static Object lock = new Object();
3
4
static class ThreadA implements Runnable {
5
@Override
6
public void run() {
7
synchronized (lock) {
8
for (int i = 0; i < 5; i++) {
9
try {
10
System.out.println("ThreadA: " + i);
11
lock.notify();
12
lock.wait();
13
} catch (InterruptedException e) {
14
e.printStackTrace();
15
}
16
}
17
lock.notify();
18
}
19
}
20
}
21
22
static class ThreadB implements Runnable {
23
@Override
24
public void run() {
25
synchronized (lock) {
26
for (int i = 0; i < 5; i++) {
27
try {
28
System.out.println("ThreadB: " + i);
29
lock.notify();
30
lock.wait();
31
} catch (InterruptedException e) {
32
e.printStackTrace();
33
}
34
}
35
lock.notify();
36
}
37
}
38
}
39
40
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
41
new Thread(new ThreadA()).start();
42
Thread.sleep(1000);
43
new Thread(new ThreadB()).start();
44
}
45
}
46
47
// 输出:
48
ThreadA: 0
49
ThreadB: 0
50
ThreadA: 1
51
ThreadB: 1
52
ThreadA: 2
53
ThreadB: 2
54
ThreadA: 3
55
ThreadB: 3
56
ThreadA: 4
57
ThreadB: 4
Copied!
在这个Demo里,线程A和线程B首先打印出自己需要的东西,然后使用notify()方法叫醒另一个正在等待的线程,然后自己使用wait()方法陷入等待并释放lock锁。
需要注意的是等待/通知机制使用的是使用同一个对象锁,如果你两个线程使用的是不同的对象锁,那它们之间是不能用等待/通知机制通信的。

5.3 信号量

JDK提供了一个类似于“信号量”功能的类Semaphore。但本文不是要介绍这个类,而是介绍一种基于volatile关键字的自己实现的信号量通信。
后面会有专门的章节介绍volatile关键字,这里只是做一个简单的介绍。
volitile关键字能够保证内存的可见性,如果用volitile关键字声明了一个变量,在一个线程里面改变了这个变量的值,那其它线程是立马可见更改后的值的。
比如我现在有一个需求,我想让线程A输出0,然后线程B输出1,再然后线程A输出2…以此类推。我应该怎样实现呢?
代码:
1
public class Signal {
2
private static volatile int signal = 0;
3
4
static class ThreadA implements Runnable {
5
@Override
6
public void run() {
7
while (signal < 5) {
8
if (signal % 2 == 0) {
9
System.out.println("threadA: " + signal);
10
synchronized (this) {
11
signal++;
12
}
13
}
14
}
15
}
16
}
17
18
static class ThreadB implements Runnable {
19
@Override
20
public void run() {
21
while (signal < 5) {
22
if (signal % 2 == 1) {
23
System.out.println("threadB: " + signal);
24
synchronized (this) {
25
signal = signal + 1;
26
}
27
}
28
}
29
}
30
}
31
32
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
33
new Thread(new ThreadA()).start();
34
Thread.sleep(1000);
35
new Thread(new ThreadB()).start();
36
}
37
}
38
39
// 输出:
40
threadA: 0
41
threadB: 1
42
threadA: 2
43
threadB: 3
44
threadA: 4
Copied!
我们可以看到,使用了一个volatile变量signal来实现了“信号量”的模型。这里需要注意的是,volatile变量需要进行原子操作。signal++并不是一个原子操作,所以我们需要使用synchronized给它“上锁”。
这种实现方式并不一定高效,本例只是演示信号量

信号量的应用场景:

假如在一个停车场中,车位是我们的公共资源,线程就如同车辆,而看门的管理员就是起的“信号量”的作用。
因为在这种场景下,多个线程(超过2个)需要相互合作,我们用简单的“锁”和“等待通知机制”就不那么方便了。这个时候就可以用到信号量。
其实JDK中提供的很多多线程通信工具类都是基于信号量模型的。我们会在后面第三篇的文章中介绍一些常用的通信工具类。

5.4 管道

管道是基于“管道流”的通信方式。JDK提供了PipedWriterPipedReaderPipedOutputStreamPipedInputStream。其中,前面两个是基于字符的,后面两个是基于字节流的。
这里的示例代码使用的是基于字符的:
1
public class Pipe {
2
static class ReaderThread implements Runnable {
3
private PipedReader reader;
4
5
public ReaderThread(PipedReader reader) {
6
this.reader = reader;
7
}
8
9
@Override
10
public void run() {
11
System.out.println("this is reader");
12
int receive = 0;
13
try {
14
while ((receive = reader.read()) != -1) {
15
System.out.print((char)receive);
16
}
17
} catch (IOException e) {
18
e.printStackTrace();
19
}
20
}
21
}
22
23
static class WriterThread implements Runnable {
24
25
private PipedWriter writer;
26
27
public WriterThread(PipedWriter writer) {
28
this.writer = writer;
29
}
30
31
@Override
32
public void run() {
33
System.out.println("this is writer");
34
int receive = 0;
35
try {
36
writer.write("test");
37
} catch (IOException e) {
38
e.printStackTrace();
39
} finally {
40
try {
41
writer.close();
42
} catch (IOException e) {
43
e.printStackTrace();
44
}
45
}
46
}
47
}
48
49
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
50
PipedWriter writer = new PipedWriter();
51
PipedReader reader = new PipedReader();
52
writer.connect(reader); // 这里注意一定要连接,才能通信
53
54
new Thread(new ReaderThread(reader)).start();
55
Thread.sleep(1000);
56
new Thread(new WriterThread(writer)).start();
57
}
58
}
59
60
// 输出:
61
this is reader
62
this is writer
63
test
Copied!
我们通过线程的构造函数,传入了PipedWritePipedReader对象。可以简单分析一下这个示例代码的执行流程:
  1. 1.
    线程ReaderThread开始执行,
  2. 2.
    线程ReaderThread使用管道reader.read()进入”阻塞“,
  3. 3.
    线程WriterThread开始执行,
  4. 4.
    线程WriterThread用writer.write("test")往管道写入字符串,
  5. 5.
    线程WriterThread使用writer.close()结束管道写入,并执行完毕,
  6. 6.
    线程ReaderThread接受到管道输出的字符串并打印,
  7. 7.
    线程ReaderThread执行完毕。

管道通信的应用场景:

这个很好理解。使用管道多半与I/O流相关。当我们一个线程需要先另一个线程发送一个信息(比如字符串)或者文件等等时,就需要使用管道通信了。

5.5 其它通信相关

以上介绍了一些线程间通信的基本原理和方法。除此以外,还有一些与线程通信相关的知识点,这里一并介绍。

5.5.1 join方法

join()方法是Thread类的一个实例方法。它的作用是让当前线程陷入“等待”状态,等join的这个线程执行完成后,再继续执行当前线程。
有时候,主线程创建并启动了子线程,如果子线程中需要进行大量的耗时运算,主线程往往将早于子线程结束之前结束。
如果主线程想等待子线程执行完毕后,获得子线程中的处理完的某个数据,就要用到join方法了。
示例代码:
1
public class Join {
2
static class ThreadA implements Runnable {
3
4
@Override
5
public void run() {
6
try {
7
System.out.println("我是子线程,我先睡一秒");
8
Thread.sleep(1000);
9
System.out.println("我是子线程,我睡完了一秒");
10
} catch (InterruptedException e) {
11
e.printStackTrace();
12
}
13
}
14
}
15
16
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
17
Thread thread = new Thread(new ThreadA());
18
thread.start();
19
thread.join();
20
System.out.println("如果不加join方法,我会先被打出来,加了就不一样了");
21
}
22
}
Copied!
注意join()方法有两个重载方法,一个是join(long), 一个是join(long, int)。
实际上,通过源码你会发现,join()方法及其重载方法底层都是利用了wait(long)这个方法。
对于join(long, int),通过查看源码(JDK 1.8)发现,底层并没有精确到纳秒,而是对第二个参数做了简单的判断和处理。

5.5.2 sleep方法

sleep方法是Thread类的一个静态方法。它的作用是让当前线程睡眠一段时间。它有这样两个方法:
  • Thread.sleep(long)
  • Thread.sleep(long, int)
同样,查看源码(JDK 1.8)发现,第二个方法貌似只对第二个参数做了简单的处理,没有精确到纳秒。实际上还是调用的第一个方法。
这里需要强调一下:sleep方法是不会释放当前的锁的,而wait方法会。这也是最常见的一个多线程面试题。
它们还有这些区别:
  • wait可以指定时间,也可以不指定;而sleep必须指定时间。
  • wait释放cpu资源,同时释放锁;sleep释放cpu资源,但是不释放锁,所以易死锁。
  • wait必须放在同步块或同步方法中,而sleep可以再任意位置

5.5.3 ThreadLocal类

ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类。内部是一个弱引用的Map来维护。这里不详细介绍它的原理,而是只是介绍它的使用,以后有独立章节来介绍ThreadLocal类的原理。
有些朋友称ThreadLocal为线程本地变量线程本地存储。严格来说,ThreadLocal类并不属于多线程间的通信,而是让每个线程有自己”独立“的变量,线程之间互不影响。它为每个线程都创建一个副本,每个线程可以访问自己内部的副本变量。
ThreadLocal类最常用的就是set方法和get方法。示例代码:
1
public class ThreadLocalDemo {
2
static class ThreadA implements Runnable {
3
private ThreadLocal<String> threadLocal;
4
5
public ThreadA(ThreadLocal<String> threadLocal) {
6
this.threadLocal = threadLocal;
7
}
8
9
@Override
10
public void run() {
11
threadLocal.set("A");
12
try {
13
Thread.sleep(1000);
14
} catch (InterruptedException e) {
15
e.printStackTrace();
16
}
17
System.out.println("ThreadA输出:" + threadLocal.get());
18
}
19
20
static class ThreadB implements Runnable {
21
private ThreadLocal<String> threadLocal;
22
23
public ThreadB(ThreadLocal<String> threadLocal) {
24
this.threadLocal = threadLocal;
25
}
26
27
@Override
28
public void run() {
29
threadLocal.set("B");
30
try {
31
Thread.sleep(1000);
32
} catch (InterruptedException e) {
33
e.printStackTrace();
34
}
35
System.out.println("ThreadB输出:" + threadLocal.get());
36
}
37
}
38
39
public static void main(String[] args) {
40
ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
41
new Thread(new ThreadA(threadLocal)).start();
42
new Thread(new ThreadB(threadLocal)).start();
43
}
44
}
45
}
46
47
// 输出:
48
ThreadA输出:A
49
ThreadB输出:B
Copied!
可以看到,虽然两个线程使用的同一个ThreadLocal实例(通过构造方法传入),但是它们各自可以存取自己当前线程的一个值。
那ThreadLocal有什么作用呢?如果只是单纯的想要线程隔离,在每个线程中声明一个私有变量就好了呀,为什么要使用ThreadLocal?
如果开发者希望将类的某个静态变量(user ID或者transaction ID)与线程状态关联,则可以考虑使用ThreadLocal。
最常见的ThreadLocal使用场景为用来解决数据库连接、Session管理等。数据库连接和Session管理涉及多个复杂对象的初始化和关闭。如果在每个线程中声明一些私有变量来进行操作,那这个线程就变得不那么“轻量”了,需要频繁的创建和关闭连接。

5.5.4 InheritableThreadLocal

InheritableThreadLocal类与ThreadLocal类稍有不同,Inheritable是继承的意思。它不仅仅是当前线程可以存取副本值,而且它的子线程也可以存取这个副本值。
参考资料
Last modified 2yr ago