淺析Java中如何實現線程之間通信

正常情況下，每個子線程完成各自的任務就可以結束了。不過有的時候，我們希望多個線程協同工作來完成某個任務，這時就涉及到了線程間通信了。

本文涉及到的知識點：thread.join(), object.wait(), object.notify(), CountdownLatch, CyclicBarrier, FutureTask, Callable 等。

下面我從幾個例子作為切入點來講解下 Java 裡有哪些方法來實現線程間通信。

如何讓兩個線程依次執行？ 那如何讓兩個線程按照指定方式有序交叉運行呢？ 四個線程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行，而且 A B C 是同步運行的 三個運動員各自准備，等到三個人都准備好後，再一起跑 子線程完成某件任務後，把得到的結果回傳給主線程

如何讓兩個線程依次執行？

假設有兩個線程，一個是線程 A，另一個是線程 B，兩個線程分別依次打印 1-3 三個數字即可。我們來看下代碼：

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) 實現如下，用來依次打印 1, 2, 3 三個數字：

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);
 }
}

這時我們得到的結果是：

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 是同時打印的。

那麼，如果我們希望 B 在 A 全部打印完後再開始打印呢？我們可以利用 thread.join() 方法，代碼如下:

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 開始等待 A");
   try {
    A.join();
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }

   printNumber("B");
  }
 });

 B.start();
 A.start();
}

得到的結果如下：

B 開始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3

B print: 1
B print: 2
B print: 3

所以我們能看到 A.join() 方法會讓 B 一直等待直到 A 運行完畢。

那如何讓兩個線程按照指定方式有序交叉運行呢？

還是上面那個例子，我現在希望 A 在打印完 1 後，再讓 B 打印 1, 2, 3，最後再回到 A 繼續打印 2, 3。這種需求下，顯然 Thread.join() 已經不能滿足了。我們需要更細粒度的鎖來控制執行順序。

這裡，我們可以利用 object.wait() 和 object.notify() 兩個方法來實現。代碼如下：

/**
 * 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();
}

打印結果如下：

A 1
A waiting...

B 1
B 2
B 3
A 2
A 3

正是我們要的結果。

那麼，這個過程發生了什麼呢？

首先創建一個 A 和 B 共享的對象鎖 lock = new Object(); 當 A 得到鎖後，先打印 1，然後調用 lock.wait() 方法，交出鎖的控制權，進入 wait 狀態； 對 B 而言，由於 A 最開始得到了鎖，導致 B 無法執行；直到 A 調用 lock.wait() 釋放控制權後， B 才得到了鎖； B 在得到鎖後打印 1， 2， 3；然後調用 lock.notify() 方法，喚醒正在 wait 的 A; A 被喚醒後，繼續打印剩下的 2，3。

為了更好理解，我在上面的代碼裡加上 log 方便讀者查看。

private static void demo3() {
 Object lock = new Object();
 Thread A = new Thread(new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
   System.out.println("INFO: A 等待鎖");
   synchronized (lock) {
    System.out.println("INFO: A 得到了鎖 lock");
    System.out.println("A 1");
    try {
     System.out.println("INFO: A 准備進入等待狀態，放棄鎖 lock 的控制權");
     lock.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("INFO: 有人喚醒了 A, A 重新獲得鎖 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 等待鎖");
   synchronized (lock) {
    System.out.println("INFO: B 得到了鎖 lock");
    System.out.println("B 1");
    System.out.println("B 2");
    System.out.println("B 3");

    System.out.println("INFO: B 打印完畢，調用 notify 方法");
    lock.notify();
   }
  }
 });
 A.start();
 B.start();
}

打印結果如下:

INFO: A 等待鎖
INFO: A 得到了鎖 lock
A 1
INFO: A 准備進入等待狀態，調用 lock.wait() 放棄鎖 lock 的控制權
INFO: B 等待鎖
INFO: B 得到了鎖 lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B 打印完畢，調用 lock.notify() 方法
INFO: 有人喚醒了 A, A 重新獲得鎖 lock
A 2
A 3

四個線程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全執行完畢後才執行，而且 A B C 是同步運行的

最開始我們介紹了 thread.join()，可以讓一個線程等另一個線程運行完畢後再繼續執行，那我們可以在 D 線程裡依次 join A B C，不過這也就使得 A B C 必須依次執行，而我們要的是這三者能同步運行。

或者說，我們希望達到的目的是：A B C 三個線程同時運行，各自獨立運行完後通知 D；對 D 而言，只要A B C 都運行完了，D 再開始運行。針對這種情況，我們可以利用 CountdownLatch 來實現這類通信方式。它的基本用法是：

創建一個計數器，設置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2); 在等待線程裡調用 countDownLatch.await() 方法，進入等待狀態，直到計數值變成 0； 在其他線程裡，調用 countDownLatch.countDown() 方法，該方法會將計數值減小 1； 當其他線程的 countDown() 方法把計數值變成 0 時，等待線程 裡的 countDownLatch.await() 立即退出，繼續執行下面的代碼。

實現代碼如下：

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();
 }
}

下面是運行結果：

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

其實簡單點來說，CountDownLatch 就是一個倒計數器，我們把初始計數值設置為3，當 D 運行時，先調用 countDownLatch.await() 檢查計數器值是否為 0，若不為 0 則保持等待狀態；當A B C 各自運行完後都會利用countDownLatch.countDown()，將倒計數器減 1，當三個都運行完後，計數器被減至 0；此時立即觸發 D 的 await() 運行結束，繼續向下執行。

因此，CountDownLatch 適用於一個線程去等待多個線程的情況。

三個運動員各自准備，等到三個人都准備好後，再一起跑

上面是一個形象的比喻，針對線程 A B C 各自開始准備，直到三者都准備完畢，然後再同時運行。也就是要實現一種線程之間互相等待的效果，那應該怎麼來實現呢？

上面的 CountDownLatch 可以用來倒計數，但當計數完畢，只有一個線程的 await() 會得到響應，無法讓多個線程同時觸發。

為了實現線程間互相等待這種需求，我們可以利用 CyclicBarrier 數據結構，它的基本用法是：

先創建一個公共 CyclicBarrier 對象，設置同時等待的線程數，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3); 這些線程同時開始自己做准備，自身准備完畢後，需要等待別人准備完畢，這時調用 cyclicBarrier.await(); 即可開始等待別人； 當指定的同時等待的線程數都調用了 cyclicBarrier.await();時，意味著這些線程都准備完畢好，然後這些線程才同時繼續執行。

實現代碼如下，設想有三個跑步運動員，各自准備好後等待其他人，全部准備好後才開始跑：

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(); // 當前運動員准備完畢，等待別人准備好
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
     e.printStackTrace();
    }

    System.out.println(rN + " starts running"); // 所有運動員都准備好了，一起開始跑
   }
  }).start();
 }
}

打印的結果如下：

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

子線程完成某件任務後，把得到的結果回傳給主線程

實際的開發中，我們經常要創建子線程來做一些耗時任務，然後把任務執行結果回傳給主線程使用，這種情況在 Java 裡要如何實現呢？

回顧線程的創建，我們一般會把 Runnable 對象傳給 Thread 去執行。Runnable定義如下：

public interface Runnable {
 public abstract void run();
}

可以看到 run() 在執行完後不會返回任何結果。那如果希望返回結果呢？這裡可以利用另一個類似的接口類 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 最大區別就是返回范型 V 結果。

那麼下一個問題就是，如何把子線程的結果回傳回來呢？在 Java 裡，有一個類是配合 Callable 使用的：FutureTask，不過注意，它獲取結果的 get 方法會阻塞主線程。

舉例，我們想讓子線程去計算從1加到100，並把算出的結果返回到主線程。

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();
 }
}

打印結果如下：

Before futureTask.get()

Task starts
Task finished and return result

Result: 5050
After futureTask.get()

可以看到，主線程調用 futureTask.get() 方法時阻塞主線程；然後 Callable 內部開始執行，並返回運算結果；此時 futureTask.get() 得到結果，主線程恢復運行。

這裡我們可以學到，通過 FutureTask 和 Callable 可以直接在主線程獲得子線程的運算結果，只不過需要阻塞主線程。當然，如果不希望阻塞主線程，可以考慮利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到線程池去管理執行。

小結

多線程是現代語言的共同特性，而線程間通信、線程同步、線程安全是很重要的話題。本文針對 Java 的線程間通信進行了大致的講解，後續還會對線程同步、線程安全進行講解。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持。