第五章 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:

public class NoneLock {

    static class ThreadA implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println("Thread A " + i);
            }
        }
    }

    static class ThreadB implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println("Thread B " + i);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new ThreadA()).start();
        new Thread(new ThreadB()).start();
    }
}

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。

....
Thread A 48
Thread A 49
Thread B 0
Thread A 50
Thread B 1
Thread A 51
Thread A 52
....

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”:

public class ObjectLock {
    private static Object lock = new Object();

    static class ThreadA implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    System.out.println("Thread A " + i);
                }
            }
        }
    }

    static class ThreadB implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    System.out.println("Thread B " + i);
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new ThreadA()).start();
        Thread.sleep(10);
        new Thread(new ThreadB()).start();
    }
}

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:

public class WaitAndNotify {
    private static Object lock = new Object();

    static class ThreadA implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    try {
                        System.out.println("ThreadA: " + i);
                        lock.notify();
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                lock.notify();
            }
        }
    }

    static class ThreadB implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    try {
                        System.out.println("ThreadB: " + i);
                        lock.notify();
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                lock.notify();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new ThreadA()).start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(new ThreadB()).start();
    }
}

// 输出:
ThreadA: 0
ThreadB: 0
ThreadA: 1
ThreadB: 1
ThreadA: 2
ThreadB: 2
ThreadA: 3
ThreadB: 3
ThreadA: 4
ThreadB: 4

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。

volatile关键字能够保证内存的可见性,如果用volatile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:

public class Signal {
    private static volatile int signal = 0;

    static class ThreadA implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            while (signal < 5) {
                if (signal % 2 == 0) {
                    System.out.println("threadA: " + signal);
                    signal++;
                }
            }
        }
    }

    static class ThreadB implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            while (signal < 5) {
                if (signal % 2 == 1) {
                    System.out.println("threadB: " + signal);
                    signal = signal + 1;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new ThreadA()).start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(new ThreadB()).start();
    }
}

// 输出:
threadA: 0
threadB: 1
threadA: 2
threadB: 3
threadA: 4

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。

需要注意的是,signal++并不是一个原子操作,所以我们在实际开发中,会根据需要使用synchronized给它“上锁”,或者是使用AtomicInteger等原子类。

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:

public class Pipe {
    static class ReaderThread implements Runnable {
        private PipedReader reader;

        public ReaderThread(PipedReader reader) {
            this.reader = reader;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("this is reader");
            int receive = 0;
            try {
                while ((receive = reader.read()) != -1) {
                    System.out.print((char)receive);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class WriterThread implements Runnable {

        private PipedWriter writer;

        public WriterThread(PipedWriter writer) {
            this.writer = writer;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("this is writer");
            int receive = 0;
            try {
                writer.write("test");
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                try {
                    writer.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        PipedWriter writer = new PipedWriter();
        PipedReader reader = new PipedReader();
        writer.connect(reader); // 这里注意一定要连接,才能通信

        new Thread(new ReaderThread(reader)).start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(new WriterThread(writer)).start();
    }
}

// 输出:
this is reader
this is writer
test

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. 线程ReaderThread开始执行,
  2. 线程ReaderThread使用管道reader.read()进入”阻塞“,
  3. 线程WriterThread开始执行,
  4. 线程WriterThread用writer.write("test")往管道写入字符串,
  5. 线程WriterThread使用writer.close()结束管道写入,并执行完毕,
  6. 线程ReaderThread接受到管道输出的字符串并打印,
  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:

public class Join {
    static class ThreadA implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println("我是子线程,我先睡一秒");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("我是子线程,我睡完了一秒");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new ThreadA());
        thread.start();
        thread.join();
        System.out.println("如果不加join方法,我会先被打出来,加了就不一样了");
    }
}

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:

public class ThreadLocalDemo {
    static class ThreadA implements Runnable {
        private ThreadLocal<String> threadLocal;

        public ThreadA(ThreadLocal<String> threadLocal) {
            this.threadLocal = threadLocal;
        }

        @Override
        public void run() {
            threadLocal.set("A");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("ThreadA输出:" + threadLocal.get());
        }

        static class ThreadB implements Runnable {
            private ThreadLocal<String> threadLocal;

            public ThreadB(ThreadLocal<String> threadLocal) {
                this.threadLocal = threadLocal;
            }

            @Override
            public void run() {
                threadLocal.set("B");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("ThreadB输出:" + threadLocal.get());
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
            new Thread(new ThreadA(threadLocal)).start();
            new Thread(new ThreadB(threadLocal)).start();
        }
    }
}

// 输出:
ThreadA输出:A
ThreadB输出:B

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

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