Java并发编程(六)------线程间的通信机制
参考博客：Java并发编程的艺术(六)——线程间的通信
多条线程之间有时需要数据交互，下面介绍五种线程间数据交互的方式，他们的使用场景各有不同。
1. volatile、synchronized关键字
关于volatile的详细介绍：volatile关键字
1.1 如何实现通信？
这两种方式都采用了同步机制实现多条线程间的数据通信。与其说是“通信”，倒不如说是“共享变量”来的恰当。当一个共享变量被volatile修饰 或 被同步块包裹后，他们的读写操作都会直接操作共享内存，从而各个线程都能看到共享变量最新的值，也就是实现了内存的可见性。
1.2 特点
- 这种方式本质上是“共享数据”，而非“传递数据”；只是从结果来看，数据好像是从写线程传递到了读线程；
- 这种通信方式无法指定特定的接收线程。当数据被修改后究竟哪条线程最先访问到，这由操作系统随机决定。
- 总的来说，这种方式并不是真正意义上的“通信”，而是“共享”。
1.3 使用场景
这种方式能“传递”变量。当需要传递一些公用的变量时就可以使用这种方式。如：传递boolean flag，用于表示状态、传递一个存储所有任务的队列等。
1.4 例子
用这种方式实现线程的开关控制。
// 用于控制线程当前的执行状态
private volatile boolean running = false;
// 开启一条线程
Thread thread = new Thread(new Runnable(){
void run(){
// 开关
while(!running){
Thread.sleep(1000);
}
// 执行线程任务
doSometing();
}
}).start();
// 开始执行
public void start(){
running = true;
}2. 等待/通知机制
等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而执行后续操作。上述两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()和notify/notifyAll()的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。
2.1 如何实现？
等待/通知机制的实现由Java完成，我们只需调用Object类的几个方法即可。
- wait()：将当前线程的状态改为“等待态”，加入等待队列，释放锁；直到当前线程发生中断或调用了notify方法，这条线程才会被从等待队列转移到同步队列，此时可以开始竞争锁。
- wait(long)：和wait()功能一样，只不过多了个超时动作。一旦超时，就会继续执行wait之后的代码，它不会抛超时异常！
- notify()：将等待队列中的一条线程转移到同步队列中去。
- notifyAll()：将等待队列中的所有线程都转移到同步队列中去。
2.2 注意点
- 以上方法都必须放在同步块中；
- 并且以上方法都只能由所处同步块的锁对象调用；
- 锁对象A.notify()/notifyAll()只能唤醒由锁对象A wait的线程；
- 调用notify/notifyAll函数后仅仅是将线程从等待队列转移到阻塞队列，只有当该线程竞争到锁后，才能从wait方法中返回，继续执行接下来的代码；
- 为什么wait必须放在同步块中调用？ 因为等待/通知机制需要和共享状态变量配合使用，一般是先检查状态，若状态为true则执行wait，即包含“先检查后执行”，因此需要把这一过程加锁，确保其原子执行。
2.3 具体例子
创建了两个线程——WaitThread和NotifyThread，前者检查flag值是否为false，如果符合要求，进行后续操作，否则在lock上等待，后者在睡眠了一段时间后对lock进行通知，代码如下所示：
public class WaitNotify {
static boolean flag = true;
static Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread waitThread = new Thread(new Wait(), "WaitThread");
waitThread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
Thread notifyThread = new Thread(new Notify(), "NotifyThread");
notifyThread.start();
}
static class Wait implements Runnable {
public void run() {
// 加锁，拥有lock的Monitor
synchronized (lock) {
// 当条件不满足时，继续wait，同时释放了lock的锁
while (flag) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is true. wait@" + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
//条件满足时，完成工作
System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is false. running@ " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
}
}
}
static class Notify implements Runnable {
public void run() {
// 加锁，拥有lock的Monitor
synchronized (lock) {
// 获取lock的锁，然后进行通知，通知时不会释放lock的锁，
// 直到当前线程释放了lock后，WaitThread才能从wait方法中返回
System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock. notify@ " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
lock.notifyAll();
flag = false;
SleepUtils.second(5);
}
// 再次加锁
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock again. sleep@ " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
SleepUtils.second(5);
}
}
}
}输出如下（输出内容可能不同，主要区别在时间上）
Thread[WaitThread,5,main] flag is true. wait @ 22:23:03
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock. notify @ 22:23:04
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock again. sleep @ 22:23:09
Thread[WaitThread,5,main] flag is false. running @ 22:23:14上述第3行和第4行输出的顺序可能会互换，而上述例子主要说明了调用wait()、notify()以及notifyAll()时需要注意的细节：
- 使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
- 调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的等待队列。
- notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。
- notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll()方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED。
- 从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。
从上述细节中可以看到，等待/通知机制依托于同步机制，其目的就是确保等待线程从wait()方法返回时能够感知到通知线程对变量做出的修改。上述示例的流程图如下所示：
WaitThread首先获取了对象的锁，然后调用对象的wait()方法，从而放弃了锁并进入了对象的等待队列WaitQueue中，进入等待状态。由于WaitThread释放了对象的锁，NotifyThread随后获取了对象的锁，并调用对象的notify()方法，将WaitThread从WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此时WaitThread的状态变为阻塞状态。NotifyThread释放了锁之后，WaitThread再次获取到锁并从wait()方法返回继续执行。
2.4 生产者和消费者模式
- 生产者
synchronized(锁A){
flag = true;// 或者：list.add(xx);
锁A.notify();
}- 消费者
synchronized(锁A){
// 不满足条件
while(!flag){ // 或者：list.isEmpty()
锁A.wait();
}
// doSometing……
}2.5 超时等待模式
在之前的生产者-消费者模式中，如果生产者没有发出通知，那么消费者将永远等待下去。为了避免这种情况，我们可以给消费者增加超时等待功能。该功能依托于wait(long)方法，只需在wait前的检查条件中增加超时标识位，实现如下：
public void get(long mills){
synchronized( list ){
// 不加超时功能
if ( mills <= 0 ) {
while( list.isEmpty() ){
list.wait();
}
}
// 添加超时功能
else {
boolean isTimeout = false;
while(list.isEmpty() && isTimeout){
list.wait(mills);
isTimeout = true;
}
// doSometing……
}
}
}3. 管道流
3.1 作用
管道流用于在两个线程之间进行字节流或字符流的传递。
3.2 特点
- 管道流的实现依靠PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedWriter、PipedReader。分别对应字节流和字符流。
- 他们与IO流的区别是：IO流是在硬盘、内存、Socket之间流动，而管道流仅在内存中的两条线程间流动。
3.3 实现
步骤如下：
1. 在一条线程中分别创建输入流和输出流；
2. 将输入流和输出流连接起来；
3. 将输入流和输出流分别传递给两条线程；
4. 调用read和write方法就可以实现线程间通信。
// 创建输入流与输出流对象
PipedWriter out = new PipedWriter();
PipedReader in = new PipedReader();
// 连接输入输出流
out.connect(in);
// 创建写线程
class WriteThread extends Thread{
private PipedWriter out;
public WriteThread(PipedWriter out){
this.out = out;
}
public void run(){
out.write("hello concurrent world!");
}
}
// 创建读线程
class ReaderThread extends Thread{
private PipedReader in;
public ReaderThread(PipedReader in){
this.in = in;
}
public void run(){
in.read();
}
}
// 4. join
4.1 作用
- join能将并发执行的多条线程串行执行；
- join函数属于Thread类，通过一个thread对象调用。当在线程B中执行threadA.join()时，线程B将会被阻塞(底层调用wait方法)，等到threadA线程运行结束后才会返回join方法。
- 被等待的那条线程可能会执行很长时间，因此join函数会抛出InterruptedException。当调用threadA.interrupt()后，join函数就会抛出该异常。
4.2 实现
public static void main(String[] args){
// 开启一条线程
Thread t = new Thread(new Runnable(){
public void run(){
// doSometing
}
}).start();
// 调用join，等待t线程执行完毕
try{
t.join();
}catch(InterruptedException e){
// 中断处理……
}
}