解密Java多线程：让线程之间默契无间的通讯和协作技巧

Myth丶恋晨 2023-10-15 14:54 8阅读 0赞

## 前言 ##

多线程是计算机科学中非常重要的一个概念，它可以提高程序的执行效率，充分利用计算机的资源。在 Java 编程中，多线程也很常见，Java 提供了丰富的多线程库支持。但是多线程也存在一些困难，如线程间的通讯、协作等问题。本文将深入探讨如何让线程之间默契无间地通讯和协作，帮助读者更好地理解和应用 Java 多线程。

## 摘要 ##

本文将介绍 Java 多线程中的线程通讯和协作技巧。首先讨论了线程通讯的基本原理，包括 wait(), notify() 和 notifyAll() 等方法的使用。然后，介绍了线程协作的概念和常见技巧，如使用 Semaphore、CountDownLatch 和 CyclicBarrier 等工具类。最后，通过代码实现多个线程之间的通讯和协作，并提供了测试用例。

## 线程通讯 ##

线程通讯是指多个线程之间的信息交换和协作。在 Java 中，线程通讯主要通过共享对象的方式实现。多个线程共享一个对象，通过该对象的方法实现线程之间的通讯。

### wait() 和 notify() ###

wait() 和 notify() 是 Java 中实现线程通讯的两个重要方法。它们都属于 Object 类，任何一个 Java 对象都可以调用这两个方法。其基本思想是在一个共享对象上进行操作，使线程挂起或唤醒。

wait() 方法的作用是使当前线程进入等待状态，直到其他线程调用了该对象的 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒它。

java复制代码public synchronized void wait() throws InterruptedException;
    public synchronized void wait(long timeout) throws InterruptedException;
    public synchronized void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException;

notify() 方法的作用是唤醒一个等待该对象的线程。

java复制代码public synchronized void notify();

notifyAll() 方法的作用是唤醒所有等待该对象的线程。

java复制代码public synchronized void notifyAll();

# 代码示例 #

下面是一个经典的生产者-消费者模型，使用 wait() 和 notify() 方法实现线程通讯。

生产者线程：

java复制代码class Producer implements Runnable {
        private Queue<String> queue;
        private int maxSize;
        private int i = 0;
    
        public Producer(Queue<String> queue, int maxSize) {
            this.queue = queue;
            this.maxSize = maxSize;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (queue) {
                    while (queue.size() == maxSize) { // 当队列满了，生产者线程等待
                        try {
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.offer("message" + (++i));
                    System.out.println("produce: " + i);
                    queue.notifyAll(); // 生产者线程生产完消息，唤醒所有等待队列的线程
                }
            }
        }
    }

消费者线程：

java复制代码class Consumer implements Runnable {
        private Queue<String> queue;
    
        public Consumer(Queue<String> queue) {
            this.queue = queue;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (queue) {
                    while (queue.isEmpty()) { // 当队列为空，消费者线程等待
                        try {
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    String message = queue.poll();
                    System.out.println("consume: " + message);
                    queue.notifyAll(); // 消费者线程消费完消息，唤醒所有等待队列的线程
                }
            }
        }
    }

测试代码：

java复制代码public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        int maxSize = 5;
        Thread producerThread = new Thread(new Producer(queue, maxSize));
        Thread consumerThread = new Thread(new Consumer(queue));
        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }

测试结果如下：

![在这里插入图片描述][format_png]

## 线程协作 ##

线程协作是指多个线程之间相互协作，共同完成一个任务。在 Java 中，线程协作主要通过工具类实现。常见的工具类有 Semaphore、CountDownLatch 和 CyclicBarrier 等。

### Semaphore ###

Semaphore 是 Java 中一个基于计数器的同步工具类，用来控制同时访问某个资源的线程数量。它通过 acquire() 和 release() 方法来协调线程的运行。

java复制代码public Semaphore(int permits);
    public Semaphore(int permits, boolean fair);
    
    public void acquire() throws InterruptedException;
    public void acquire(int permits) throws InterruptedException;
    public void release();
    public void release(int permits);

其中 permits 表示资源的数量，fair 表示使用公平或非公平的机制。当 permits 大于 1 时，表示多线程可以同时访问资源。

# CountDownLatch #

CountDownLatch 是 Java 中一个基于计数器的同步工具类，用来协调多个线程之间的运行。它通过 await() 和 countDown() 方法来协调线程的运行。

java复制代码public CountDownLatch(int count);
    
    public void await() throws InterruptedException;
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    public void countDown();
    public long getCount();

其中 count 表示需要完成的任务数量。当 count 减为 0 时，所有的线程将被唤醒。

# CyclicBarrier #

CyclicBarrier 是 Java 中一个同步工具类，用来协调多个线程之间的运行。它允许多个线程在某个屏障处阻塞，直到所有线程都到达该屏障后才能继续执行。

java复制代码public CyclicBarrier(int parties);
    
    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction);
    
    public void await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException;
    public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException;

其中 parties 表示需要等待的线程数量。当所有的线程都到达该屏障后，可以选择执行 barrierAction。当最后一个线程到达该屏障后，所有的线程将被唤醒。

# 代码示例 #

下面是一个使用 Semaphore 实现并发控制的示例。

java复制代码class SemaphoreDemo implements Runnable {
        private Semaphore semaphore;
        private int n;
    
        public SemaphoreDemo(Semaphore semaphore, int n) {
            this.semaphore = semaphore;
            this.n = n;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire(); // 获取一个 permit
                for (int i = 0; i < n; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release(); // 释放一个 permit
            }
        }
    }

测试代码：

java复制代码public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        int n = 5;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new SemaphoreDemo(semaphore, n)).start(); // 同时运行 2 个线程
        }
    }

测试结果如下：

![在这里插入图片描述][format_png 1]

## 小结 ##

本文介绍了 Java 多线程中的线程通讯和协作技巧。其中，线程通讯主要通过 wait() 和 notify() 方法实现，线程协作主要通过 Semaphore、CountDownLatch 和 CyclicBarrier 等工具类实现。通过代码示例，读者可以更好地理解和应用 Java 多线程。

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