Java多线程技术之三（线程协作）

一、线程依赖

现实生活中一件任务往往可以拆解成子任务，执行完子任务后，主任务可以汇合子任务的执行结果，子任务一般可以并行的进行。任务之间有依赖关系，必须等到所有子任务完成后，主任务才能执行。

Java中可以使用Thread类的join()方法模拟这个过程。join()方法的作用是让线程等待另一个线程完成执行。比如A线程run()方法中调用B线程的join()方法，则A线程被阻塞，直到B线程执行完为止，A才能得以继续执行，可以形象的理解为A线程让B线程“插队”。

线程依赖示例


线程依赖关系图.jpg
class Worker1 implements Runnable {

    public void run() {
        System.out.println("工作线程1 开始！");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("工作线程1 结束！");
    }
}

class Worker2 implements Runnable {
    
    public void run() {
        System.out.println("工作线程2 开始！");
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("工作线程2 结束！");        
    }
    
}

class Worker3 implements Runnable {
    
    public void run() {
        System.out.println("工作线程3 开始！");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("工作线程3 结束！");        
    }
    
}

class SubTask1 implements Runnable {
    private Thread thread1;
    private Thread thread2;
    
    public SubTask1(Thread thread1, Thread thread2) {
        this.thread1 = thread1;
        this.thread2 = thread2;
    }

    public void run() {
        System.out.println("子任务线程1 开始！");
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("子任务线程1 结束！");       
    }   
}

class SubTask2 implements Runnable {
    private Thread thread2;
    private Thread thread3;
    
    public SubTask2(Thread thread2, Thread thread3) {
        this.thread2 = thread2;
        this.thread3 = thread3;
    }

    public void run() {
        System.out.println("子任务线程2 开始！");
        try {
            thread2.join();
            thread3.join();
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("子任务线程2 结束！");       
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主任务线程 开始！");

        Thread worker1Thread = new Thread(new Worker1());
        Thread worker2Thread = new Thread(new Worker2());
        Thread worker3Thread = new Thread(new Worker3());
        worker1Thread.start();
        worker2Thread.start();
        worker3Thread.start();
        
        SubTask1 subTask1 = new SubTask1(worker1Thread,worker2Thread);
        SubTask2 subTask2 = new SubTask2(worker2Thread,worker3Thread);
        
        Thread subTask1Thread = new Thread(subTask1);
        Thread subTask2Thread = new Thread(subTask2);
        subTask1Thread.start();
        subTask2Thread.start();
        subTask1Thread.join();
        subTask2Thread.join();

        System.out.println("主任务线程 结束！");
    }
}

运行结果


执行结果.jpg

二、线程交互

有时候线程之间需要交互以合力完成任务，多个线程在操作同一个资源，但是操作的的动作不同。比如一个线程对资源进行写操作，一个线程对资源进行读操作，两个线程执行过程中需要交互，以避免线程安全问题。

Object类的wait()、notify()和notifyAll()方法可以实现线程间的交互，所以任何Java对象都可以调用这些方法。

  • wait()方法用于阻塞当前线程，将当前线程加入等待队列。
  • notify()方法用于释放一个处于等待队列中的线程。
  • notifyAll()方法用于释放多个处于等待队列中的线程。
线程之间进行交互通常有一个“等待和通知“的标准范式：

等待方：

  1. 获取共享变量的锁。
  2. 在一个循环里判定条件是否满足，条件满足就执行业务逻辑。
  3. 不满足就调用wait方法。

通知方：

  1. 获取共享变量的锁。
  2. 改变条件。
  3. notifyAll通知所有等待在对象的线。

线程交互示例

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        Store s = new Store();
        Producer p = new Producer(s);
        Consumer c = new Consumer(s);
        p.start(); 
        c.start();
    }
}

class Store {
    private int count;

  public synchronized void get() {
        while (count == 0) {
            try {
                wait();
            }
            catch (InterruptedException e) {
            }
        }
        notifyAll();
        count--;
        System.out.println("消费者来消费了,库存：" + count);
    }

    public synchronized void put() {
        while (count == 100) {
            try {
                wait();
            }
            catch (InterruptedException e) { 
            } 
        }
        notifyAll();
        count++;
        System.out.println("生产者来生产了,库存：" + count);
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private Store store;

    public Consumer(Store c) {
        store = c;
    }

    public void run() {     
        store.get();
    }
}

class Producer extends Thread {
    private Store store;

    public Producer(Store c) {
        store = c;
    }

    public void run() {
        store.put();
    }
}
wait、notify、notifyAll与monitor的关系

在上一篇中简要介绍了monitor，monitor控制共享资源的互斥访问，它封装了内核同步原语。在monitor内部，有互斥量，入口等待队列，条件等待队列，进入临界区操作，退出临界区操作和线程的等待和唤醒操作。
monitor的结构可以用伪代码表示如下：

class Monitor {
    private mutex;// 互斥量
    private entryQueue;// 入口等待队列
    private conditionQueue;// 条件等待队列

    public entry(){ 操作mutex和entryQueue的逻辑 }
    public exit(){ 操作mutex和entryQueue的逻辑 }

    public wait(){ 操作mutex和conditionQueue的逻辑 }  
    public notify(){ 操作conditionQueue的逻辑 }
    public notifyAll(){ 操作conditionQueue的逻辑 } 
}

monitor执行过程如下

  • 线程在进入临界区时调用entry方法尝试获取monitor的许可。
  • 如果线程获取不到monitor的许可，monitor就会阻塞这个线程并将这个线程加入到入口等待队列。
  • 如果线程获取到monitor的许可，则线程可以进入临界区。
  • 当线程在临界区中调用wait方法时，monitor就会阻塞这个线程并将这个线程加入条件等待队列，同时收回这个线程的访问权。
  • 当线程在临界区中调用notify方法时，monitor从条件等待队列中选择一个线程，将其转移到入口等待队列。
  • 当线程在临界区中调用notifyAll方法时，monitor从条件等待队列中选择所有线程，将其转移到入口等待队列。
  • 线程退出临界区时调用exit方法，monitor从入口等待队列中选择一个线程，将其移出队列并唤醒，同时许可其访问临界区。

monitor的具体内部结构可以参阅这篇博客

wait、notify的几点说明

  • 线程调用wait表示它需要等待一个条件，这个条件它自己改变不了，需要其他线程改变。
  • 线程调用notify表示它已经改变了条件，通知monitor可以唤醒其他等待条件的线程。
  • notify仅仅是通知monitor可以唤醒其他等待条件的线程，它不释放临界区访问权。因此，调用notify后线程会继续执行，直到线程退出临界区，等待条件的线程才会被唤醒。
  • wait和notify的执行依赖monitor，因此它们只能在synchronized修饰的代码块内部进行调用。

monitor实现的是MESA管程模型，MESA管程模型要求等待条件的线程在被唤醒后要重新检查条件变量，这个是MESA管程模型特有的。所以需要在while循环里面调用wait。

while(条件不满足) {
    wait();
}
notify和notifyAll分别何时使用？

满足以下三个条件时，可以使用notify，其余情况尽量使用notifyAll：

  • 所有等待线程拥有相同的等待条件；
  • 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
  • 只需要唤醒一个线程。
实现线程协作需要注意什么？

1.wait方法需要和notify或notifyAll方法中的一个配对使用。
2.wait方法与notify或notifyAll方法配对使用时不能在同一个线程中。
3.wait方法、notify方法和notifyAll方法必须在同步方法或者同步代码块中使用，否则出现IllegalMonitorStateException 异常。
4.调用wait方法、notify方法和notifyAll方法的对象必须和同步锁对象是一个对象。

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