JAVA基础知识之多线程——线程通信

传统的线程通信

Object提供了三个方法wait(), notify(), notifyAll()在线程之间进行通信，以此来解决线程间执行顺序等问题。

wait():释放当前线程的同步监视控制器，并让当前线程进入阻塞状态，直到别的线程发出notify将该线程唤醒。
notify():唤醒在等待控制监视器的其中一个线程（随机）。只有当前线程释放了同步监视器锁（调用wait）之后，被唤醒的线程才有机会执行。
notifyAll():与上面notify的区别是同时唤醒多个等待线程。

值得注意的是这三个方法是属于Object而不是属于Thread的，但是调用的时候必须用同步监视器来调用，

对于synchronized修饰的同步方法，由于方法所在类对象（this）就是同步监视器，因此可以直接在同步方法中调用这三个方法；
对于同步代码块，synchronized(obj) { ... },则需要用空号钟的obj来调用。

生产者-消费者问题模型

在经典的生产者-消费者问题中，需要使用线程通信来解决。

假设有这么一个场景，有一个线程需要存钱进一个账户，有多个线程需要从这个账户取钱，要求是每次必须先存钱之后才能取钱，而且取钱之后必须存钱，

存钱和取钱不能同时发生两次，而是要保持顺序不变，如何实现这个需求呢。

下面是用同步方法结合线程通信的方式来实现的思路，

首先在Account类中定义两个同步方法，deposit和draw用来确保存款和取款操作的原子性。
在Account类中定义用标识符flag, 由deposit和draw共用。初始值为false,表示只能存款。如果为false，表示只能取款。
定义一个存款线程类，去调用Account类的同步方法deposit，在deposit中先对flag进行判断，如果不为false，则调用wait阻塞存款线程，等待取款线程发出notice。存款完成之后，将flag改为true.
定义一个取款线程类，去调用Account类的同步方法draw，在draw中先对flag进行判断，如果不为true，则调用wait阻塞取款线程，等待存线程发出notice。取款完成之后，将flag改为false.
定义测试类，同时启动一个（或多个）存款线程进行存款，同时启动多个取款线程去取款，存款（取款）线程之间不会有先后顺序，但是存款和取款直接会有严格的先后顺序，这就解决了生产者消费者问题

下面给出实现代码

在Account类中定义两个同步方法，draw和deposit

 1 package threads.sync;
 2 
 3 public class Account {
 4     private String accountNo;
 5     private double balance;
 6     //if flag = false, means only deposit can be done
 7     private boolean flag = false;
 8     public Account() {}
 9     
10     
11     public Account(String accountNo, double balance) {
12         this.accountNo = accountNo;
13         this.balance = balance;
14     }
15 
16     public String getAccountNo() {
17         return accountNo;
18     }
19 
20     public void setAccountNo(String accountNo) {
21         this.accountNo = accountNo;
22     }
23 
24     public double getBalance() {
25         return balance;
26     }
27 
28     public void setBalance(double balance) {
29         this.balance = balance;
30     }
31     
32     
33     public int hashCode() {
34         return accountNo.hashCode();
35     }
36     
37     public boolean equals(Object obj) {
38         if (this == obj) return true;
39         if (obj != null && obj.getClass() == Account.class) {
40             Account target = (Account)obj;
41             return target.getAccountNo().equals(accountNo);
42         }
43         return false;
44     }
45     
46     public synchronized void draw(double drawAmount) {
47         try {
48             //if flag = false, means only deposit can be done, draw method will be blocked
49             if (!flag) {
50                 wait();
51             } else {
52                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
53                         + "        draw money: " + drawAmount);
54                 balance -= drawAmount;
55                 System.out.println("            "
56                         + " balance : " + balance);
57                 flag = false;
58                 notifyAll();
59             } 
60         } catch (InterruptedException ex) {
61             ex.printStackTrace();
62         }
63     }
64     
65     public synchronized void deposit(double depositAmount) {
66         try {
67             //if flag = false, means only draw can be done, deposit method will be blocked
68             if (flag) {
69                 wait();
70             } else {
71                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
72                         + "        deposit money: " + depositAmount);
73                 balance += depositAmount;
74                 System.out.println("            "
75                         + " balance : " + balance);
76                 flag = true;
77                 notifyAll();
78             } 
79         } catch (InterruptedException ex) {
80             ex.printStackTrace();
81         }    
82     }
83     
84 }

定义一个存款线程类depositThread

 1 package threads.sync;
 2 
 3 public class DepositThread extends Thread {
 4     private Account account;
 5     private double depositAmount;
 6     public DepositThread(String name, Account account, double depositAmount) {
 7         super(name);
 8         this.setAccount(account);
 9         this.setDepositAmount(depositAmount);
10     }
11     public Account getAccount() {
12         return account;
13     }
14     public void setAccount(Account account) {
15         this.account = account;
16     }
17     
18     public double getDepositAmount() {
19         return depositAmount;
20     }
21     public void setDepositAmount(double depositAmount) {
22         this.depositAmount = depositAmount;
23     }
24     
25     public void run() {
26         for(int i=0 ; i<10; i++) {
27             account.deposit(depositAmount);
28         }
29 
30     }
31 
32 }

定义一个取款线程类depositThread

 1 package threads.sync;
 2 
 3 public class DrawThread extends Thread {
 4     private Account account;
 5     private double drawAmount;
 6     public DrawThread(String name, Account account, double drawAmount) {
 7         super(name);
 8         this.setAccount(account);
 9         this.setDrawAmount(drawAmount);
10     }
11     public Account getAccount() {
12         return account;
13     }
14     public void setAccount(Account account) {
15         this.account = account;
16     }
17     public double getDrawAmount() {
18         return drawAmount;
19     }
20     public void setDrawAmount(double drawAmount) {
21         this.drawAmount = drawAmount;
22     }
23     
24     public void run() {
25         for(int i=0 ; i<10; i++) {
26             account.draw(drawAmount);
27         }
28     }
29 }

下面是测试类，存款线程中会有10次存款，三个取款线程中总共会有30次取款，

 1 package threads.sync;
 2 
 3 public class DrawTest {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         Account acc = new Account("123456",1000);
 6         new DrawThread("DrawThread", acc, 800).start();
 7         new DepositThread("DepositThread-A",acc,800).start();
 8         new DepositThread("DepositThread-B",acc,800).start();
 9         new DepositThread("DepositThread-C",acc,800).start();
10     }
11 }

执行结果，

 1 DepositThread-A        deposit money: 800.0
 2                 balance : 1800.0
 3 DrawThread        draw money: 800.0
 4                 balance : 1000.0
 5 DepositThread-B        deposit money: 800.0
 6                 balance : 1800.0
 7 DrawThread        draw money: 800.0
 8                 balance : 1000.0
 9 DepositThread-C        deposit money: 800.0
10                 balance : 1800.0
11 DrawThread        draw money: 800.0
12                 balance : 1000.0
13 DepositThread-C        deposit money: 800.0
14                 balance : 1800.0
15 DrawThread        draw money: 800.0
16                 balance : 1000.0
17 DepositThread-C        deposit money: 800.0
18                 balance : 1800.0
19 DrawThread        draw money: 800.0
20                 balance : 1000.0
21 DepositThread-C        deposit money: 800.0
22                 balance : 1800.0
23 DrawThread        draw money: 800.0
24                 balance : 1000.0
25 DepositThread-C        deposit money: 800.0
26                 balance : 1800.0
27 DrawThread        draw money: 800.0
28                 balance : 1000.0
29 DepositThread-A        deposit money: 800.0
30                 balance : 1800.0

从执行结果中可以看到，三个取款线程ABC执行顺序随机，但是总是在存款完成后，才会进行取款操作，而且无论存款还是取款，都不会同时进行两次。

使用condition控制线程通信

如果程序使用lock来同步线程的话，就要使用condition来进行线程通信。

在lock同步线程中，lock 对象就是一个显示的同步监视器，但是这个显示的同步监视器不直接阻塞或者通知线程，而是通过condition——lock对象通过调用newCondition方法返回一个与lock关联的condition对象，由condition对象来控制线程阻塞(await)和发出信号(single)唤醒其他线程。

与synchronized同步线程方式对应的是，conditions方式也提供了三个方法，

await:类似于synchronized隐式同步控制器对象调用的wait方法，可以阻塞当前线程，直到在别的线程中调用了condition的singal方法唤醒该线程。

signal:随机唤醒一个被await阻塞的线程。注意只有在当前线程已经释放lock同步监视器之后，被唤醒的其他线程才有机会执行。

signalAll:与上面类似，但是是唤醒所有线程。

下面用condition的方式来实现前面的银行取钱的例子，只需要修改Account类，改用lock同步线程，condition线程通信，

  1 package threads.sync;
  2 
  3 import java.util.concurrent.locks.Condition;
  4 import java.util.concurrent.locks.Lock;
  5 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  6 
  7 public class Account {
  8     private String accountNo;
  9     private double balance;
 10     private boolean flag = false;
 11     //显示定义lock对象
 12     private final Lock lock = new ReentrantLock();
 13     //获取lock对象对应的condition
 14     private final Condition cond = lock.newCondition();
 15     public Account() {}
 16     
 17     
 18     public Account(String accountNo, double balance) {
 19         this.accountNo = accountNo;
 20         this.balance = balance;
 21     }
 22 
 23     public String getAccountNo() {
 24         return accountNo;
 25     }
 26 
 27     public void setAccountNo(String accountNo) {
 28         this.accountNo = accountNo;
 29     }
 30 
 31     public double getBalance() {
 32         return balance;
 33     }
 34 
 35     public void setBalance(double balance) {
 36         this.balance = balance;
 37     }
 38     
 39     
 40     public int hashCode() {
 41         return accountNo.hashCode();
 42     }
 43     
 44     public boolean equals(Object obj) {
 45         if (this == obj) return true;
 46         if (obj != null && obj.getClass() == Account.class) {
 47             Account target = (Account)obj;
 48             return target.getAccountNo().equals(accountNo);
 49         }
 50         return false;
 51     }
 52     
 53     public void draw(double drawAmount) {
 54         lock.lock();
 55         try {
 56             //if flag = false, means only deposit can be done, draw method will be blocked
 57             if (!flag) {
 58                 //this.wait();
 59                 cond.await();
 60             } else {
 61                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
 62                         + "        draw money: " + drawAmount);
 63                 balance -= drawAmount;
 64                 System.out.println("            "
 65                         + "    balance : " + balance);
 66                 flag = false;
 67                 //this.notifyAll();
 68                 cond.signalAll();
 69             } 
 70         } catch (InterruptedException ex) {
 71             ex.printStackTrace();
 72         } finally {
 73             lock.unlock();
 74         }
 75     }
 76     
 77     public void deposit(double depositAmount) {
 78         lock.lock();
 79         try {
 80             //if flag = false, means only draw can be done, deposit method will be blocked
 81             if (flag) {
 82                 //this.wait();
 83                 cond.await();
 84             } else {
 85                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
 86                         + "        deposit money: " + depositAmount);
 87                 balance += depositAmount;
 88                 System.out.println("            "
 89                         + "    balance : " + balance);
 90                 flag = true;
 91                 //this.notifyAll();
 92                 cond.signalAll();
 93             } 
 94         } catch (InterruptedException ex) {
 95             ex.printStackTrace();
 96         } finally {
 97             lock.unlock();
 98         }
 99     }
100     
101 }

对比用synchronized方式同步线程的例子，前面例子中是隐式的同步监视器（this）调用wait和notify来通信，

而本例是显示同步监视器(lock)的关联对象(condition)调用await和signal来通信，执行结果与前面一样不再给出。

使用阻塞队列(BlockingQueue)控制线程通信

BlockingQueue是JAVA5提供的一个队列接口，但这个队列并不是用作一个容器，而是作为线程的同步工具。

它可以很好地解决生产者消费者问题，而且比前面提到的两种方式更为灵活，

BlockingQueue的特征是，

当生产者线程试图向BlockingQueue存入元素时，如果队列已满，生产者线程将会阻塞，

当消费者线程试图从BlockingQueue取出元素时，如果队列为空，消费者线程将会阻塞

对比前面线程通信的例子，synchronized同步方法/代码块和lock+condition方式中，都只能控制生产者和消费者按固定顺序执行，

但BlockingQueue则是可以通过集合中的元素个数（商品数量）来控制线程执行顺序，通过调整集合容量可以控制线程切换的条件。

集合（商品）为空时，消费者阻塞，只能执行生产者线程；集合（商品）已满时，生产者阻塞，只能执行消费者线程。

BlockingQueue接口有很多实现类，下面演示最常用的实现类ArrayBlockQueue控制线程通信，

定义一个生产者线程类Producter

 1 package threads.sync;
 2 
 3 import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 4 
 5 public class Producter extends Thread {
 6     private BlockingQueue<String> bq;
 7     
 8     public Producter(BlockingQueue<String> bq) {
 9         this.bq = bq;
10     }
11     
12     public void run() {
13         String[] strArr = new String[] {
14                 "Java",
15                 "Struts",
16                 "Spring"
17         };
18         
19         for(int i = 0; i<999999; i++) {
20             System.out.println(getName()+" 生产者准备生产集合元素");
21             try {
22                 Thread.sleep(200);
23                 //如果队列已满，线程将阻塞
24                 bq.put(strArr[i % 3]);
25             } catch (InterruptedException e) {
26                 e.printStackTrace();
27             }
28             System.out.println(getName()+" 生产完成: " + bq);
29         }
30     }
31 }

定义一个消费者类Consumer

 1 package threads.sync;
 2 
 3 import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 4 
 5 public class Consumer extends Thread {
 6     private BlockingQueue<String> bq;
 7     
 8     public Consumer(BlockingQueue<String> bq) {
 9         this.bq = bq;
10     }
11     
12     public void run() {
13         
14         while (true) {
15             System.out.println(getName()+" 消费者准备消费集合元素");
16             try {
17                 Thread.sleep(200);
18                 //如果队列已空，线程将阻塞
19                 bq.take();
20             } catch (InterruptedException e) {
21                 e.printStackTrace();
22             }
23             System.out.println(getName()+" 消费完成: " + bq);
24         }
25     }
26 }

在测试类中，定义一个容量为2的阻塞集合，

启动三个生产者线程，每个线程都在不停生产商品，存入阻塞队列中，

启动一个消费者线程，每个线程也在不停从阻塞队列中取出商品，

 1 package threads.sync;
 2 
 3 import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
 4 import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 5 
 6 public class BlockingQueueTest {
 7     public static void main(String[] args) {
 8         BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue<String>(2);
 9         new Producter(bq).start();
10         new Producter(bq).start();
11         new Producter(bq).start();
12         new Consumer(bq).start();
13     }
14 }

执行结果，从执行结果中可以看到，只要集合中有元素且集合没有满，那么生产者和消费者线程都有机会得到执行，具体谁有机会要看谁抢到CPU执行片，

但是当集合空了的时候，例如第7行（Thread-8 消费完成: []），接着又有一个消费者线程执行，但是因此集合为空而阻塞了，此时只有生产者线程能执行，

当集合满了的时候，例如第11行（Thread-7 生产完成: [Java, Java]），接着又有一个生产者线程执行，但是因为集合已满而阻塞了，此时只有消费者线程能执行。

 1 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 2 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 3 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 4 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 5 Thread-5 生产完成: [Java]
 6 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 7 Thread-8 消费完成: []
 8 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 9 Thread-6 生产完成: [Java]
10 Thread-6 生产者准备生产集合元素
11 Thread-7 生产完成: [Java, Java]
12 Thread-7 生产者准备生产集合元素
13 Thread-8 消费完成: [Java]
14 Thread-8 消费者准备消费集合元素
15 Thread-5 生产完成: [Java, Struts]
16 Thread-5 生产者准备生产集合元素
17 Thread-8 消费完成: [Struts]
18 Thread-8 消费者准备消费集合元素
19 Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
20 Thread-6 生产者准备生产集合元素
21 Thread-8 消费完成: [Struts]
22 Thread-8 消费者准备消费集合元素
23 Thread-7 生产完成: [Struts, Struts]
24 Thread-7 生产者准备生产集合元素
25 Thread-8 消费完成: [Struts]
26 Thread-8 消费者准备消费集合元素
27 Thread-5 生产完成: [Struts, Spring]
28 Thread-5 生产者准备生产集合元素
29 Thread-8 消费完成: [Spring]
30 Thread-8 消费者准备消费集合元素
31 Thread-6 生产完成: [Spring, Spring]
32 Thread-6 生产者准备生产集合元素
33 Thread-8 消费完成: [Spring]
34 Thread-8 消费者准备消费集合元素

上面的例子来自李刚的疯狂JAVA，但个人认为并不是太好，因为无论在生产者还是消费者线程中，打印bq操作前后的两段日志并不是原子操作，这会导致打印的日志不准确，

例如下面的运行结果，从第5行看到（Thread-6 生产完成: []），刚刚执行完一个生产者线程中的入队操作，但是打印队列却是空的，原因就在于在打印两行日志期间，消费者线做了取元素的操作。

 1 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 2 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 3 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 4 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 5 Thread-6 生产完成: []
 6 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 7 Thread-5 生产完成: [Java]
 8 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 9 Thread-7 生产完成: [Java, Java]
10 Thread-7 生产者准备生产集合元素
11 Thread-8 消费完成: []
12 Thread-8 消费者准备消费集合元素
13 Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
14 Thread-7 生产者准备生产集合元素
15 Thread-8 消费完成: [Java, Struts]
16 Thread-8 消费者准备消费集合元素
17 Thread-8 消费完成: [Struts]
18 Thread-5 生产完成: [Struts, Struts]
19 Thread-5 生产者准备生产集合元素
20 Thread-8 消费者准备消费集合元素
21 Thread-8 消费完成: [Struts]
22 Thread-8 消费者准备消费集合元素
23 Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
24 Thread-6 生产者准备生产集合元素
25 Thread-8 消费完成: [Struts]
26 Thread-8 消费者准备消费集合元素
27 Thread-6 生产完成: [Struts, Spring]
28 Thread-6 生产者准备生产集合元素
29 Thread-8 消费完成: [Spring]
30 Thread-8 消费者准备消费集合元素
31 Thread-5 生产完成: [Spring, Spring]
32 Thread-5 生产者准备生产集合元素
33 Thread-8 消费完成: [Spring]
34 Thread-8 消费者准备消费集合元素
35 Thread-5 生产完成: [Spring, Java]
36 Thread-5 生产者准备生产集合元素
37 Thread-8 消费完成: [Java]
38 Thread-8 消费者准备消费集合元素
39 Thread-6 生产完成: [Java, Java]
40 Thread-6 生产者准备生产集合元素
41 Thread-8 消费完成: [Java]
42 Thread-8 消费者准备消费集合元素
43 Thread-7 生产完成: [Java, Spring]
44 Thread-7 生产者准备生产集合元素
45 Thread-8 消费完成: [Spring]
46 Thread-8 消费者准备消费集合元素
47 Thread-7 生产完成: [Spring, Java]
48 Thread-7 生产者准备生产集合元素
49 Thread-8 消费完成: [Java]
50 Thread-8 消费者准备消费集合元素
51 Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
52 Thread-7 生产者准备生产集合元素
53 Thread-8 消费完成: [Struts]
54 Thread-8 消费者准备消费集合元素
55 Thread-7 生产完成: [Struts, Spring]
56 Thread-7 生产者准备生产集合元素
57 Thread-8 消费完成: [Spring]
58 Thread-8 消费者准备消费集合元素
59 Thread-7 生产完成: [Spring, Java]
60 Thread-7 生产者准备生产集合元素
61 Thread-8 消费完成: [Java]
62 Thread-8 消费者准备消费集合元素
63 Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
64 Thread-7 生产者准备生产集合元素
65 Thread-7 生产完成: [Struts, Spring]
66 Thread-7 生产者准备生产集合元素
67 Thread-8 消费完成: [Struts, Spring]
68 Thread-8 消费者准备消费集合元素
69 Thread-8 消费完成: [Spring]
70 Thread-8 消费者准备消费集合元素
71 Thread-5 生产完成: [Spring, Struts]
72 Thread-5 生产者准备生产集合元素
73 Thread-8 消费完成: [Struts]
74 Thread-8 消费者准备消费集合元素
75 Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
76 Thread-6 生产者准备生产集合元素
77 Thread-8 消费完成: [Struts, Spring]
78 Thread-8 消费者准备消费集合元素
79 Thread-6 生产完成: [Struts, Spring]
80 Thread-6 生产者准备生产集合元素

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原文地址：https://www.cnblogs.com/fysola/p/6072883.html