前言
在上篇文章Java并发编程之线程篇之线程中断(三)中我们讲解了线程中断的相关知识点,现在我们来了解一下线程间的通信。线程间的通信在我们实际项目中是不可或缺的,多数情况下,我们需要创建多个线程,配合完成某项任务。合理并正确使用线程间的通信方式,是作为一个良好程序员必须掌握的技能。那现在就让我们来了解在Java中线程间通信的处理方式吧!阅读该篇文章你可能需要具备一下知识点:
- Java并发编程之Java内存模型(一)
- Java并发编程之Volatile(二)
- Java并发编程之Synchronized(三)
- Java并发编程之锁机制之Lock接口(七)
- Java并发编程之锁机制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)(八)
- Java并发编程之锁机制之LockSupport工具(九)
- Java并发编程之锁机制之Condition接口(十)
- Java并发编程之锁机制之(ReentrantLock)重入锁(十一)
线程的状态
在了解线程的通信知识之前,我们需要了解线程的状态,熟悉线程的状态,不仅有助于我们更好的排查多线程项目出现的死锁、线程安全等问题,还能更好的让我们分析与理解线程间的通信。下面就让我们来看一下线程有哪些状态吧!
在Java中线程的有以下5种状态,如下所示:
线程状态 | 含义 |
---|---|
NEW | 新建状态,线程已经创建,但是没有执行start()方法 |
RUNNABLE | 可运行状态,线程可以在JVM中运行,但是还需要等待CPU分配资源 |
BLOCKED | 阻塞状态,当遇到synchronized且没有取得相应的锁,就会进入这个状态 |
WAITING | 等待状态,当线程中wait()/join/Locksupport.park方法时,就会进入这个状态 |
TIMED_WAITING | 计时等待状态,当调用Thread.sleep()或者Object.wait(xx)或者Thread.join(xx)或者LockSupport.parkNanos或者LockSupport.partUntil时,进入该状态 |
TERMINATED | 线程中断状态,线程被中断或者运行结束,就会进入这个状态 |
在上述表格中,线程的5种状态对应着Java的不同方法,具体如下图所示:
需要注意的是,在上图中
标红
的两个状态,是操作系统中线程对应的状态,Java将这两种状态合并为可运行状态(RUNNABLE)。在操作系统中就绪状态(READY)表示线程已经准备完毕,等待CPU分配时间片。运行中状态(RUNNING)表示当线程分到时间片,线程开始正式执行。
volatile的使用
在Java内存模型中,我们曾提到过,为了提示程序的运行速度,Java将内存分为了工作内存(线程独占,不与其他线程共享)与主内存。当多个线程同时访问同一个对象或者变量的时候,由于每个线程都需要将该对象或变量拷贝到自己的工作内存中。又因为线程的工作内存是私有且不与其他线程共享的。那么当一线程修改变量的值后,会导致对其他线程不可见。Java内存模型如下图所示:
为了保证数据的可见性。Java提供了volatile
关键字。volatile关键字修饰变量,就是告知线程对该变量的访问必须重主内存中获取。而对它的改变必须同步刷新到主内存中。这样就能保证线程对变量访问的可见性。关于volatile的使用,参看如下例子:
class VolatileDemo {
int a = 1;
int b = 2;
public void change() {
a = 3;
b = 4;
}
public void print(String threadName) {
System.out.println(threadName + "--->" + "a = " + a + ";b = " + b);
}
public static void main(String[] args) {
final VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
volatileDemo.change();
}
}).start();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
volatileDemo.print(Thread.currentThread().getName());
}
}).start();
}
}
}
程序输出结果:
Thread-1--->a = 1;b = 2 //错误
Thread-3--->a = 1;b = 2 //错误
Thread-2--->a = 1;b = 2 //错误
Thread-5--->a = 3;b = 4
Thread-4--->a = 3;b = 4
Thread-6--->a = 3;b = 4
Thread-7--->a = 3;b = 4
Thread-8--->a = 3;b = 4
....省略其他
在上述代码中,如果我们不采用volatile
关键字修饰a,b变量,那么会导致其他线程仍然获取的是自己本身工作内存中的a、b变量的值。为了保证访问公共变量对其他线程的可见性,我们需要将变量通过volatile
来修饰。修改我们的代码:
volatile int a = 1;
volatile int b = 2;
采用volatile修饰,输出结果如下
Thread-2--->a = 3;b = 4
Thread-1--->a = 3;b = 4
Thread-6--->a = 3;b = 4
Thread-3--->a = 3;b = 4
Thread-4--->a = 3;b = 4
Thread-9--->a = 3;b = 4
Thread-10--->a = 3;b = 4
....省略其他
需要注意的是volatile只对单次的变量的操作具对其他线程有可见性,对应类似于a++
,这种操作线读取a变量的值,进行运算后再重新对变量赋值的操作,仍然会出现线程安全的问题。对关于volatile的更多介绍,大家可以查看Java并发编程之Volatile(二)。
synchronized的使用
除了使用volatile实现线程的通信之外,我们还可以使用synchronized
及Object
中的配套方法wait()/notify()、wait()/notifyAll
来实现线程的通信,在了解具体的实现之前,我们先来了解synchronized
关键字在Java中的作用。
关键字synchronized可以修饰方法或者代码块,使用synchronized可以确保多个线程在同一时刻,只能有一个线程处于方法或者同步块中,它保证了线程对变量访问的可见性和排他性。如下代码所示:
public class SyncCodeBlock {
public int i;
public void syncTask(){
//同步代码库
synchronized (this){
i++;
}
}
}
然后我们通过javap指令反编译得到字节码。来继续分析synchronized关键字的实现细节,如下所示:
//===========主要看看syncTask方法实现================
public void syncTask();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter //注意此处,进入同步方法,表示获取到锁
4: aload_0
5: dup
6: getfield #2 // Field i:I
9: iconst_1
10: iadd
11: putfield #2 // Field i:I
14: aload_1
15: monitorexit //注意此处,退出同步方法,释放锁
16: goto 24
19: astore_2
20: aload_1
21: monitorexit //注意此处,退出同步方法
22: aload_2
23: athrow
24: return
Exception table:
//省略其他字节码…….
}
在上述字节码信息中,对于同步块的实现使用了monitorenter
和monitorexit
两个指令,其本质原理是对某个对象的监视器(monitor)的获取。而这个获取过程是排他的,也就是同一时刻只能有一个线程,获取到有synchronized所保护对象的监视器。在Java中,任何一个对象都有自己的监视器(monitor),当这个对象有同步块或者这个对象的同步方法调用的时候,执行方法的线程必须先获取到该对象的监视器才能进入同步块,或者同步方法,而没有获取到监视器(monitor)的线程会阻塞在同步块或者同步方法的入口,进入BLOCKED状态。如下图所示:
从上图中,我们可以得出,任意线程在对synchronized关键字修饰的Object进行访问的时候,首先要获得Object的监视器(monitor),如果获取失败,线程进入同步队列,且线程状态变为BLOCKED
。当访问Object的前驱线程(moniterenter成功的线程)释放了Object的监视器(monitorexit)。则唤醒阻塞在同步队列中的线程,使其尝试对监视器的获取。其中对监视器的获取与释放,我们一般称之为获取锁与释放锁。在下文中我们都用获取锁与释放锁来表示这两个过程。
关于synchronized下同步队列的知识点补充:
synchronized在JVM中实现的锁机制是基于同步队列
与等待队列
的,这与courrent
包下的Lock
接口下的锁机制的实现方式十分类似。需要注意的是,在synchronized中wait()后的线程会进入一个FIFO的队列(同步队列)中,notify()/notifyAll()是一个有序的出队列的过程。
synchronized下的等待/通知机制实现
在上文中,我们提到如果使用synchronized来实现线程间的通信,我们需要结合Object中的配套方法wait()/notify()、wait()/notifyAll
。我们先来看看一看Obejet中这系列方法的说明:
方法名称 | 描述 |
---|---|
wait() | 调用该方法的线程进入WAITING 状态,只有等待另外线程的通知或被中断才会返回,需要注意,线程调用wait()方法前,需要获得对象的监视器。当调用wait()方法后,会释放对象的监视器 |
wait(long) | 调用该方法的线程进入TIMED_WAITING 状态,这里的参数时间是毫秒,等待对应毫秒事件,如果没有收到其他线程通知,则超时返回 |
wait(long,int) | 调用该方法的线程进入TIMED_WAITING 状态,基本作用同wiat(long),第二个参数代表为纳秒,也就是等待时间为毫秒+纳秒。 |
notify() | 通知一个在对象监视器上等待的线程,使其从wait()方法返回,而返回的前提是该线程获取到了对象的监视器。 |
notifyAll() | 通知所有在监视器上等待的线程,具体唤醒那个线程由CPU决定 |
使用Object的wait()/notify()、wait()/notifyall(),其实是我们经常使用的等待/通知机制
,所谓的等待/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,进而执行后续的操作。
下面,我们来通过一个例子来了解使用synchronized完成线程的通信,具体例子如下所示:
class SynchronizedDemo {
static boolean flag = true;
static Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new WaitRunnable(), "WaitThread").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//这里睡眠,是保证Wait线程先执行
new Thread(new NotifyRunnable(), "NotifyThread").start();
}
static class WaitRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
while (flag) {//注意,通过while循环来判断条件
String name = Thread.currentThread().getName();
try {
System.out.println(name + "--->wait in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(name + "--->wake up in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
}
}
}
}
static class NotifyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
String name = Thread.currentThread().getName();
synchronized (lock) {
System.out.println(name + "--->notify all in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
lock.notifyAll();
flag = false;
}
/**
* 这里再次加锁,是为了验证当调用对象的notifyAll方法时,
* 如果线程不执行monitorexit(也就是释放锁),那么是不会唤醒其他线程的
*/
synchronized (lock) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(name + "--->hold lock again in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
输出结果如下:
WaitThread--->wait in 23:10:11
NotifyThread--->notify all in 23:10:12
NotifyThread--->hold lock again in 23:10:14
WaitThread--->wake up in 23:10:14
从上文中,我们可以得出以下结论:
- 使用wait()、notify()和notifyAll时需要先获取对象的监视器(执行monitorenter指令成功)
- 调用wait()方法后,线程状态由RUNNING变为WAITING,并将该线程加入等待队列。
- 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notfifyAll()的线程释放对象的监视器(也就是执行monitorexit指令)后,等待线程才会有机会从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动到同步队列,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监视器(执行monitorenter指令成功)。
Lock下的等待/通知机制实现
除了使用synchronized完成线程的通信之外,我们还可以使用courrent
包下的Lock
接口,这里以ReentrantLock
为例。具体例子如下所示:
class LockDemo {
static boolean flag = true;
static Lock lock = new ReentrantLock();
static Condition codition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new WaitRunnable(), "WaitThread").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//这里睡眠,是保证Wait线程先执行
new Thread(new NotifyRunnable(), "NotifyThread").start();
}
static class WaitRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
while (flag) {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name + "--->wait in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
codition.await();
System.out.println(name + "--->wake up in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
static class NotifyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name + "--->notify all in " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
flag = false;
codition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
输出结果:
WaitThread--->wait in 23:39:34
NotifyThread--->notify all in 23:39:35
WaitThread--->wake up in 23:39:35
关于Lock使用及原理,大家可以查看以下几篇文章,这里就不再进行分析了。
- Java并发编程之锁机制之Lock接口(七)
- Java并发编程之锁机制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)(八)
- Java并发编程之锁机制之LockSupport工具(九)
- Java并发编程之锁机制之Condition接口(十)
- Java并发编程之锁机制之(ReentrantLock)重入锁(十一)
等待/通知的经典范式
从上方的例子中,我们可以总结并得到非常经典的等待/通知方式,该范式分别针对等待方法(消费者)和通知方(生产者)。
等待方
等待方遵循如下原则:
- 获取对象的锁。
- 如果条件不满足,那么条件不满足,那么调用对象的wait()方法。被通知后仍然要继续检查条件。
- 条件满足则执行相应逻辑。
对应伪代码分别如下:
使用synchronized方式:
synchronized(对象) {
while(条件不满足){
对象.wait();
}
对应的处理逻辑
}
使用lock方式:
lock.lock();
try{
while(条件不满足){
condition.wait();
}
}finally{
lock.unlock();
}
通知方代码
通知方遵循如下原则:
- 获得对象的锁
- 改变条件
- 通知所有等待在对象上的线程。
对应伪代码分别如下:
使用synchronized方式:
synchronized(对象){
改变条件
对象.notifyAll()
}
使用lock方式:
lock.lock();
try{
改变条件
condition.singleAll();
}finally{
lock.unlock();
}
Thread.join的使用
除了使用上面我们介绍的经典范式以外,我们还可以使用Thread.join()方法。join方法的使用含义如下:
当线程A调用线程B对象(bThread)的join方法,其含义是当前线程A等待线程B终止后,才从线程A中bThread.join()代码的调用处返回。线程除了join方法以外还提供了join(long millis)和void join(long millis, int nanos)这两个具备超时特性的方法。这两个方法的意义是如果在给定的时间内线程B没有终止。那么线程A将会从该方法中返回。下面我们来看一下join方法的使用例子,如下所示:
class AThread extends Thread {
public AThread() {
super("[AThread]”);
}
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(threadName + "-->start”);
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(threadName + "loop at" + i);
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
System.out.println(threadName + "--->end”);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class BThread extends Thread {
private AThread mAThread;
public BThread(AThread aThread) {
super("[BThread]”);
this.mAThread = aThread;
}
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(threadName + "-->start”);
try {
mAThread.join();//使B线程等待,需要等待A线程执行完毕后,才能继续执行
System.out.println(threadName + "--->end”);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class ThreadJoinDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->start”);
AThread aThread = new AThread();
BThread bThread = new BThread(aThread);
try {
aThread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
bThread.start();
aThread.join();//主线程等待A线程执行完毕后,才继续执行
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->end”);
}
}
在上述例子中,我们主要实现以下两个效果:
-
主线程(main线程)
等待A线程
执行完毕后,才继续执行 -
B线程
等待A线程
执行完毕后,才继续执行。
我们查看输出结果:
main-->start //main线程启动
[AThread]-->start //A线程启动
[AThread]loop at0 //A线程开始执行循环
[AThread]loop at1
[BThread]-->start //B线程开始启动,因为在B线程中调用了aThread.join()那么B线程会等待A线程执行完毕后,才开始执行
[AThread]loop at2 //A线程继续执行
[AThread]loop at3
[AThread]loop at4
[AThread]--->end //A线程执行完毕后,
[BThread]--->end //A线程执行完毕后,唤醒B线程继续执行
main--->end //主线程执行完毕
整个程序是按照我们之前的逻辑在运行,下面我们来查看线程中join方法的实现原理,具体代码如下所示:
join()方法内部会调用join(final long millis)方法。
//同步方法默认的锁为调用该方法的对象,也就是xxThread.join()的xxThread
public final synchronized void join(final long millis)
throws InterruptedException {
if (millis > 0) {//如果等待时间大于0
if (isAlive()) {
final long startTime = System.nanoTime();
long delay = millis;
do {
wait(delay);
} while (isAlive() && (delay = millis -
TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(System.nanoTime() - startTime)) > 0);
}
} else if (millis == 0) {//如果等待时间为0,
while (isAlive()) {
wait(0);//当前线程存活,那么会使当前线程等待(当前线程指运行xxThread.join的线程,而不是xxThread)
}
} else {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative”);
}
}
我们简单的分析一下代码,当B线程调用A线程的join()
方法时,当前锁对象为A线程。在join()方法内部会调用wait(0)
,该方法会使B线程等待。只有当A线程执行完毕后,也就是A线程终止后。才会唤醒B线程。
线程执行完毕或线程终止时,会调用线程自身的notifyAll()方法,会通知所有等待在该线程对象的线程。
ThreadLocal
在上述文章中,我们都是讲解的多个线程之前的通信,那么在同一线程中,在某个时刻我们想获取线程中设置的变量,我们可以通过ThreadLocal,在之前的文章中Android-Handler机制之ThreadLocal,我们介绍过ThreadLocal的使用。下面我们通过一个例子来了解ThreadLocal的使用。具体例子如下:
class ThreadLocalTest {
private static ThreadLocal<String> mThreadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main(String[] args) {
mThreadLocal.set("线程main”);
new Thread(new A()).start();
new Thread(new B()).start();
System.out.println(mThreadLocal.get());
}
static class A implements Runnable {
@Override
public void run() {
mThreadLocal.set("线程A”);
System.out.println(mThreadLocal.get());
}
}
static class B implements Runnable {
@Override
public void run() {
mThreadLocal.set("线程B”);
System.out.println(mThreadLocal.get());
}
}
}
输出结果:
main
线程A
线程B
这里就不再介绍ThreadLocal的原理了,有兴趣的小伙伴可以查看Android-Handler机制之ThreadLocal文章进行理解。
最后
这里提供一个线程交替打印奇数偶数的例子,来帮助大家巩固所学的知识点。有兴趣的小伙伴,可以查看项目PrintOddEventNumber。
参考
该文章参考以下图书,站在巨人的肩膀上。可以看得更远。
- 《Java并发编程的艺术》