浅析Java中如何实现线程之间通信

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。

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。

1. 如何让两个线程依次执行？
2. 那如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
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
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。我们来看下代码：

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();
}

其中的 printnumber(string) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：

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);
 }
}

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:

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 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。

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：

/**
 * 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();
}

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？

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 1，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。
   

为了更好理解，我在上面的代码里加上 log 方便读者查看。

private static void demo3() {
 object lock = new object();
 thread a = new thread(new runnable() {
  @override
  public void run() {
   system.out.println("info: a 等待锁");
   synchronized (lock) {
    system.out.println("info: a 得到了锁 lock");
    system.out.println("a 1");
    try {
     system.out.println("info: a 准备进入等待状态，放弃锁 lock 的控制权");
     lock.wait();
    } catch (interruptedexception e) {
     e.printstacktrace();
    }
    system.out.println("info: 有人唤醒了 a, a 重新获得锁 lock");
    system.out.println("a 2");
    system.out.println("a 3");
   }

  }
 });
 thread b = new thread(new runnable() {
  @override
  public void run() {
   system.out.println("info: b 等待锁");
   synchronized (lock) {
    system.out.println("info: b 得到了锁 lock");
    system.out.println("b 1");
    system.out.println("b 2");
    system.out.println("b 3");

    system.out.println("info: b 打印完毕，调用 notify 方法");
    lock.notify();
   }
  }
 });
 a.start();
 b.start();
}

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：

1. 创建一个计数器，设置初始值，countdownlatch countdownlatch = new countdownlatch(2);
2. 在等待线程里调用 countdownlatch.await() 方法，进入等待状态，直到计数值变成 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();
 }
}

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：

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：

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(); // 当前运动员准备完毕，等待别人准备好
    } catch (interruptedexception e) {
     e.printstacktrace();
    } catch (brokenbarrierexception 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：

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 compute a result
  */
 v call() throws exception;
}

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。

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 i=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。

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。希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。