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java線程之間的通信方式實例講解
2018-07-27 14:46:21         來源:nwpu_geeker的博客  
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引言

當多個線程需要協作來完成一件事情的時候,如何去等待其他線程執行,又如何當線程執行完去通知其他線程結束等待。

線程與進程的區別

進程可以獨立運行,它是系統進行資源分配和調度的獨立單位。

線程是進程的一個實體,是CPU調度和分派的基本單位,比進程更小的獨立單位,它基本上不擁有系統資源。

他們之間的聯系:

一個線程屬于一個進程,而一個進程有多個線程,多個線程共享該進程的所有資源。

區別:

1.調度:線程作為CPU調度和分派的基本單位,進程擁有系統資源的獨立單位。

2.并發性:進程之間并發運行,同一個進程的多個線程也能并發執行。

3.擁有資源,進程是擁有系統資源的基本單位,線程不擁有資源,但能訪問進程的資源。

線程之間的通信方式有哪些

1.join

2.共享變量(volatile、AtomicInteger)

3.notify/wait

4.lock/condition

5.管道

join

首先,開啟兩個線程,分別打印123,線程A和線程B會不按套路打印。

如果必須要線程A在線程B之前打印123呢?

需要使用thread1.join();//我會等待線程1執行完成后再進行執行

join的原理

實際上join方法內部是通過wait實現的。

上一段jdk源碼

public final synchronized void join(long millis)
 throws InterruptedException {
  long base = System.currentTimeMillis();
  long now = 0;

  if (millis < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
  }

  if (millis == 0) {
while (isAlive()) {
 wait(0);
}
  } else {
while (isAlive()) {
 long delay = millis - now;
 if (delay <= 0) {
  break;
 }
 wait(delay);
 now = System.currentTimeMillis() - base;
}
  }
 }

這個join的原理很簡單,前面那些if條件不管,主要看while循環里面的,while循環就是不斷去判斷this.isAlive的結果,用上面的例子,這個this就是joinThread。然后關鍵的代碼就是wait(delay);一個定時的wait。這個wait的對象也是this,就是joinThread。上面我們已經講了wait一定要在同步方法或者同步代碼塊中,源碼中join方法的修飾符就是一個synchronized,表明這是一個同步的方法。

不要看調用wait是joinThread,是一個線程。但是真正因為wait進入阻塞狀態的,是持有對象監視器的線程,這里的對象監視器是joinThread,持有他的是main線程,因為在main線程中執行了join這個同步方法。

所以main線程不斷的wait,直到調用join方法那個線程對象銷毀,才繼續向下執行。

但是源碼中只有wait的方法,沒有notify的方法。因為notify這個操作是JVM通過檢測線程對象銷毀而調用的native方法,是C++實現的,在源碼中是找不到對應這個wait方法而存在的notify方法的。

也就是說。

利用Thread.join()方法來實現,join()方法的作用是等待調用線程執行完之后再執行任務。

這個是必須線程A全部執行完,再去執行B.

wait/notify

如果是交替打印呢?

必須使用wait()和notify()方法。

一道面試題。

編寫兩個線程,一個線程打印1~52,另一個線程打印字母A~Z,打印順序為12A34B56C……5152Z,要求使用線程間的通信。

代碼如下:

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * Created by Edison Xu on 2017/3/2.
 */
public enum Helper {

 instance;

 private static final ExecutorService tPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

 public static String[] buildNoArr(int max) {
  String[] noArr = new String[max];
  for(int i=0;i

使用wait和notify

public class MethodOne {
 private final ThreadToGo threadToGo = new ThreadToGo();
 public Runnable newThreadOne() {
  final String[] inputArr = Helper.buildNoArr(52);
  return new Runnable() {
private String[] arr = inputArr;
public void run() {
 try {
  for (int i = 0; i < arr.length; i=i+2) {
synchronized (threadToGo) {
 while (threadToGo.value == 2)
  threadToGo.wait();
 Helper.print(arr[i], arr[i + 1]);
 threadToGo.value = 2;
 threadToGo.notify();
}
  }
 } catch (InterruptedException e) {
  System.out.println("Oops...");
 }
}
  };
 }
 public Runnable newThreadTwo() {
  final String[] inputArr = Helper.buildCharArr(26);
  return new Runnable() {
private String[] arr = inputArr;
public void run() {
 try {
  for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
synchronized (threadToGo) {
 while (threadToGo.value == 1)
  threadToGo.wait();
 Helper.print(arr[i]);
 threadToGo.value = 1;
 threadToGo.notify();
}
  }
 } catch (InterruptedException e) {
  System.out.println("Oops...");
 }
}
  };
 }
 class ThreadToGo {
  int value = 1;
 }
 public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
  MethodOne one = new MethodOne();
  Helper.instance.run(one.newThreadOne());
  Helper.instance.run(one.newThreadTwo());
  Helper.instance.shutdown();
 }
}

注意:

wait和notify方法必須放在同步塊里面,因為要對應同一個對象監視器。而sleep沒有

原理詳解:

wait方法會使執行該wait方法的線程停止,直到等到了notify的通知。細說一下,執行了wait方法的那個線程會因為wait方法而進入等待狀態,該線程也會進入阻塞隊列中。而執行了notify那個線程在執行完同步代碼之后會通知在阻塞隊列中的線程,使其進入就緒狀態。被重新喚醒的線程會試圖重新獲得臨界區的控制權,也就是對象鎖,然后繼續執行臨界區也就是同步語句塊中wait之后的代碼。

上面這個描述,可以看出一些細節。

1.wait方法進入了阻塞隊列,而上文講過執行notify操作的線程與執行wait的線程是擁有同一個對象監視器,也就說wait方法執行之后,立刻釋放掉鎖,這樣,另一個線程才能執行同步代碼塊,才能執行notify。

2.notify線程會在執行完同步代碼之后通知在阻塞隊列中的線程,也就是說notify的那個線程并不是立即釋放鎖,而是在同步方法執行完,釋放鎖以后,wait方法的那個線程才會繼續執行。

3.被重新喚醒的線程會試圖重新獲得鎖,也就說,在notify方法的線程釋放掉鎖以后,其通知的線程是不確定的,看具體是哪一個阻塞隊列中的線程獲取到對象鎖。

這里詳細說一下,這個結果。wait使線程進入了阻塞狀態,阻塞狀態可以細分為3種:

● 等待阻塞:運行的線程執行wait方法,JVM會把該線程放入等待隊列中。

● 同步阻塞:運行的線程在獲取對象的同步鎖時,若該同步鎖被別的線程占用,則JVM會把該線程放入鎖池當中。

● 其他阻塞: 運行的線程執行了Thread.sleep或者join方法,或者發出I/O請求時,JVM會把該線程置為阻塞狀態。當sleep()狀態超時、join()等待線程終止,或者超時、或者I/O處理完畢時,線程重新轉入可運行狀態。

可運行狀態就是線程執行start時,就是可運行狀態,一旦CPU切換到這個線程就開始執行里面的run方法就進入了運行狀態。

上面會出現這個結果,就是因為notify僅僅讓一個線程進入了可運行狀態,而另一個線程則還在阻塞中。而notifyAll則使所有的線程都從等待隊列中出來,而因為同步代碼的關系,獲得鎖的線程進入可運行態,沒有得到鎖的則進入鎖池,也是阻塞狀態,但是會因為鎖的釋放而重新進入可運行態。所以notifyAll會讓所有wait的線程都會繼續執行。

Lock和Condition

如何程序不使用synchronized關鍵字來保持同步,而是直接適用Lock對像來保持同步,則系統中不存在隱式的同步監視器對象,也就不能使用wait()、notify()、notifyAll()來協調線程的運行.

當使用LOCK對象保持同步時,JAVA為我們提供了Condition類來協調線程的運行。關于Condition類,JDK文檔里進行了詳細的解釋.,再次就不啰嗦了。

代碼如下:

public class MethodTwo {
 private Lock lock = new ReentrantLock(true);
 private Condition condition = lock.newCondition();
 private final ThreadToGo threadToGo = new ThreadToGo();
 public Runnable newThreadOne() {
  final String[] inputArr = Helper.buildNoArr(52);
  return new Runnable() {
private String[] arr = inputArr;
public void run() {
 for (int i = 0; i < arr.length; i=i+2) {
  try {
lock.lock();
while(threadToGo.value == 2)
 condition.await();
Helper.print(arr[i], arr[i + 1]);
threadToGo.value = 2;
condition.signal();
  } catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
  } finally {
lock.unlock();
  }
 }
}
  };
 }
 public Runnable newThreadTwo() {
  final String[] inputArr = Helper.buildCharArr(26);
  return new Runnable() {
private String[] arr = inputArr;
public void run() {
 for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
  try {
lock.lock();
while(threadToGo.value == 1)
 condition.await();
Helper.print(arr[i]);
threadToGo.value = 1;
condition.signal();
  } catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
  } finally {
lock.unlock();
  }
 }
}
  };
 }
 class ThreadToGo {
  int value = 1;
 }
 public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
  MethodTwo two = new MethodTwo();
  Helper.instance.run(two.newThreadOne());
  Helper.instance.run(two.newThreadTwo());
  Helper.instance.shutdown();
 }
}

輸出結果和上面是一樣的! 只不過這里 顯示的使用Lock對像來充當同步監視器,使用Condition對象來暫停指定線程,喚醒指定線程!

共享變量(volatile、AtomicInteger)

volatile修飾的變量值直接存在main memory里面,子線程對該變量的讀寫直接寫入main memory,而不是像其它變量一樣在local thread里面產生一份copy。volatile能保證所修飾的變量對于多個線程可見性,即只要被修改,其它線程讀到的一定是最新的值。

代碼如下:

public class MethodThree {
 private volatile ThreadToGo threadToGo = new ThreadToGo();
 class ThreadToGo {
  int value = 1;
 }
 public Runnable newThreadOne() {
  final String[] inputArr = Helper.buildNoArr(52);
  return new Runnable() {
private String[] arr = inputArr;
public void run() {
 for (int i = 0; i < arr.length; i=i+2) {
  while(threadToGo.value==2){}
  Helper.print(arr[i], arr[i + 1]);
  threadToGo.value=2;
 }
}
  };
 }
 public Runnable newThreadTwo() {
  final String[] inputArr = Helper.buildCharArr(26);
  return new Runnable() {
private String[] arr = inputArr;
public void run() {
 for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
  while(threadToGo.value==1){}
  Helper.print(arr[i]);
  threadToGo.value=1;
 }
}
  };
 }
 public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
  MethodThree three = new MethodThree();
  Helper.instance.run(three.newThreadOne());
  Helper.instance.run(three.newThreadTwo());
  Helper.instance.shutdown();
 }
}

管道

管道流是JAVA中線程通訊的常用方式之一,基本流程如下:

1)創建管道輸出流PipedOutputStream pos和管道輸入流PipedInputStream pis

2)將pos和pis匹配,pos.connect(pis);

3)將pos賦給信息輸入線程,pis賦給信息獲取線程,就可以實現線程間的通訊了

代碼如下:

import java.io.IOException;
import java.io.PipedInputStream;
import java.io.PipedOutputStream;

public class testPipeConnection {

 public static void main(String[] args) {
  /**
* 創建管道輸出流
*/
  PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();
  /**
* 創建管道輸入流
*/
  PipedInputStream pis = new PipedInputStream();
  try {
/**
 * 將管道輸入流與輸出流連接 此過程也可通過重載的構造函數來實現
 */
pos.connect(pis);
  } catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
  }
  /**
* 創建生產者線程
*/
  Producer p = new Producer(pos);
  /**
* 創建消費者線程
*/
  Consumer1 c1 = new Consumer1(pis);
  /**
* 啟動線程
*/
  p.start();
  c1.start();
 }
}

/**
 * 生產者線程(與一個管道輸入流相關聯)
 * 
 */
class Producer extends Thread {
 private PipedOutputStream pos;

 public Producer(PipedOutputStream pos) {
  this.pos = pos;
 }

 public void run() {
  int i = 0;
  try {
while(true)
{
this.sleep(3000);
pos.write(i);
i++;
}
  } catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
  }
 }
}

/**
 * 消費者線程(與一個管道輸入流相關聯)
 * 
 */
class Consumer1 extends Thread {
 private PipedInputStream pis;

 public Consumer1(PipedInputStream pis) {
  this.pis = pis;
 }

 public void run() {
  try {
while(true)
{
System.out.println("consumer1:"+pis.read());
}
  } catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
  }
 }
}

程序啟動后,就可以看到producer線程往consumer1線程發送數據。

consumer1:0
consumer1:1
consumer1:2
consumer1:3
......

管道流雖然使用起來方便,但是也有一些缺點

1)管道流只能在兩個線程之間傳遞數據

線程consumer1和consumer2同時從pis中read數據,當線程producer往管道流中寫入一段數據后,每一個時刻只有一個線程能獲取到數據,并不是兩個線程都能獲取到producer發送來的數據,因此一個管道流只能用于兩個線程間的通訊。不僅僅是管道流,其他IO方式都是一對一傳輸。

2)管道流只能實現單向發送,如果要兩個線程之間互通訊,則需要兩個管道流

可以看到上面的例子中,線程producer通過管道流向線程consumer發送數據,如果線程consumer想給線程producer發送數據,則需要新建另一個管道流pos1和pis1,將pos1賦給consumer1,將pis1賦給producer,具體例子本文不再多說。

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