Java多线程 -- 05 线程通信

导读目录:
  • 传统的线程通信
  • 使用Condition控制线程通信
  • 使用阻塞队列(BlockingQueue)控制线程通信

线程的调度具有一定的透明性,程序通常无法准确控制线程的轮换执行,但Java也提供了一些机制来保证线程协调运行

1.传统的线程通信

要实现不同线程之间彼此通信,可借助Object类的方法:

public final native void notify();
public final native void notifyAll();
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException; //等待timeout时间后自动苏醒
public final void wait(long timeout, int nanos)throws InterruptedException {...} //等待timeout时间后自动苏醒
public final void wait() throws InterruptedException {}//一直等待

wait():导致当前线程等待(会释放对同步监视器的锁),直到其他线程调用该同步监视器的notify()方法或notifyAll()方法来唤醒该线程。
notify():唤醒正在此同步监视器上等待的单个线程。如果所有的线程都在此同步监视器上等待,则会唤醒其中一个线程,选择是任意的。
notifyAll():唤醒在此同步监视器上等待的所有线程,只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定,才可以执行被唤醒的线程。

事例

//取钱
public synchronized void draw(double drawAmount) {
    try {
        // 如果flag为假,表明账户中还没有人存钱进去,取钱方法阻塞
        if (!flag) {
            wait();
        } else {
            // 执行取钱
            ...
            flag = false;
            // 唤醒其他线程
            notifyAll();
        }
    } catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
}
//存钱
public synchronized void deposit(double depositAmount){
    try {
        // 如果flag为真,表明账户中已有人存钱进去,则存钱方法阻塞
        if (flag)  {
            wait();
        } else {
            // 执行存款
            ...
            flag = true;
            // 唤醒其他线程
            notifyAll();
        }
    } catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
}
2.使用Condition控制线程通信

如果不使用synchronized的关键字来保证同步,而使直接使用Lock对象来保证同步,则系统中就不存在隐式的同步监视器,也就不能使用wait(),notify(),notifyAll()方法来通信了

使用Lock来保证同步时,需要借助Condition类来协调通信。Condition可以让那些已经得到Lock对象却无法继续执行的线程释放Lock对象,也可以唤醒其他处于等待状态的线程

Condition实例被绑定在一个Lock对象上,通过Lock对象来获得Condition对象,该类提供了如下三类方法:

void await() 
boolean await(long time, TimeUnit unit) 
long awaitNanos(long nanosTimeout) 
void awaitUninterruptibly()
boolean awaitUntil(Date deadline)
void signal() 
void signalAll()  

(1)await():类似于隐式同步监视器的wait()方法,导致当前线程等待
(2)signal():唤醒在此Lock对象上等待的当个线程。如果有多个线程在该Lock上等待,则会选择唤醒其中一个线程,选择是任意的
(3)signalAll():唤醒在此Lock对象上等到的所有线程。

事例

//取钱
public void draw(double drawAmount){
    // 加锁
    lock.lock();
    try
    {
        // 如果flag为假,表明账户中还没有人存钱进去,取钱方法阻塞
        if (!flag) {
            cond.await();
        }
        else {
            ...
            flag = false;
            // 唤醒其他线程
            cond.signalAll();
        }
    }
    catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    } finally {
        // 使用finally块来释放锁
        lock.unlock();
    }
}

//存钱
public void deposit(double depositAmount) {
    lock.lock();
    try {
        // 如果flag为真,表明账户中已有人存钱进去,则存钱方法阻塞
        if (flag) {
            cond.await();
        }
        else {
            // 执行存款
            ...
            flag = true;
            // 唤醒其他线程
            cond.signalAll();
        }
    } catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    } finally {
        // 使用finally块来释放锁
        lock.unlock();
    }
}
3.使用阻塞队列(BlockingQueue)控制线程通信

Java5中提供了一个BlockingQueue接口,是Queue的子接口,但它的主要作用是用于线程同步,而非作为容器

BlockingQueue接口有一个特性,即当生产者线程试图向队列中放元素已满时,该线程会被阻塞;当消费者线程试图从队列中取出元素时,如果队列为空,则该线程会被阻塞

BlockingQueue中提供的两个阻塞方法:
(1)put(E e); //队列装满时,会阻塞
(2)take(); //队列为空时,会阻塞

由于BlockingQueue接口也是Queue的子接口,因此也拥有Queue的方法,总结如下
┌───────────────────┬─────────────┬──────────┬──────────┬───────────────────┐
│ │ 抛出异常 │ 返回值 │ 阻塞线程 │指定超时时长 │
├───────────────────┼─────────────┼──────────┼──────────┼───────────────────┤
│队尾插入元素(满时) │ add(e) │ offer(e) │ put(e) │offer(r,time,unit) │
├───────────────────┼─────────────┼──────────┼──────────┼───────────────────┤
│队头删除元素(空时) │ remove() │ poll() │ take() │poll(time, unit) │
├───────────────────┼─────────────┼──────────┼──────────┼───────────────────┤
│获取不删除(空时) │ element() │ peek() │ 无 │无 │
└───────────────────┴─────────────┴──────────┴──────────┴───────────────────┘

BlockingQueue接口的实现类:
ArrayBlockingQueue: 基于数组实现
LinkedBlockingQueue: 基于链表实现
PriorityBlockingQueue:不是标准的阻塞队列。与前面集合中讲的PriorityQueue类似,取出队列中的最小的元素
SynchronousQueue: 同步队列,对该队列的存、取操作必须交替执行
DelayQueue: 它是一个特殊的BlockingQueue,底层是基于PriorityBlockingQueue实现的

例子:

//生产者
class Producer extends Thread {
    ...
    public void run() {
        ...
        for (int i = 0 ; i < 999999999 ; i++ ) {
            System.out.println(getName() + "生产者准备生产集合元素!");
            try {
                Thread.sleep(200);
                // 尝试放入元素,如果队列已满,线程被阻塞
                bq.put(strArr[i % 3]);
            }
            ...
        }
    }
}
// 消费者
class Consumer extends Thread {
    ...
    public void run() {
        while(true) {
            ...
            try {
                Thread.sleep(200);
                // 尝试取出元素,如果队列已空,线程被阻塞
                bq.take();
            }
            ...
        }
    }
}
public class BlockingQueueTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个容量为1的BlockingQueue
        BlockingQueue bq = new ArrayBlockingQueue<>(1);
        // 启动3条生产者线程
        new Producer(bq).start();
        new Producer(bq).start();
        new Producer(bq).start();
        // 启动一条消费者线程
        new Consumer(bq).start();
    }
}

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