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Java并發(fā)編程之線程間的通信

 更新時(shí)間：2021年06月18日 12:01:22   作者：知了一笑  
當(dāng)線程在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，程序通常無(wú)法準(zhǔn)確的控制線程的輪換執(zhí)行，但我們可以通過(guò)一些機(jī)制來(lái)保障線程的協(xié)調(diào)運(yùn)行，本文著重講解線程間的通信機(jī)制

一、概念簡(jiǎn)介

1、線程通信

在操作系統(tǒng)中，線程是個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，但是在線程執(zhí)行過(guò)程中，如果處理同一個(gè)業(yè)務(wù)邏輯，可能會(huì)產(chǎn)生資源爭(zhēng)搶，導(dǎo)致并發(fā)問(wèn)題，通常使用互斥鎖來(lái)控制該邏輯。但是在還有這樣一類場(chǎng)景，任務(wù)執(zhí)行是有順序控制的，例如常見的報(bào)表數(shù)據(jù)生成：

  • 啟動(dòng)數(shù)據(jù)分析任務(wù)，生成報(bào)表數(shù)據(jù)；
  • 報(bào)表數(shù)據(jù)存入指定位置數(shù)據(jù)容器；
  • 通知數(shù)據(jù)搬運(yùn)任務(wù)，把數(shù)據(jù)寫入報(bào)表庫(kù)；

該場(chǎng)景在相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)中非常常見，如果基于多線程來(lái)描述該過(guò)程，則需要線程之間通信協(xié)作，才能有條不紊的處理該場(chǎng)景業(yè)務(wù)。

2、等待通知機(jī)制

如上的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如果線程A生成數(shù)據(jù)過(guò)程中，線程B一直在訪問(wèn)數(shù)據(jù)容器，判斷該過(guò)程的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)生成，則會(huì)造成資源浪費(fèi)。正常的流程應(yīng)該如圖，線程A和線程B同時(shí)啟動(dòng)，線程A開始處理數(shù)據(jù)生成任務(wù)，線程B嘗試獲取容器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)還沒(méi)過(guò)來(lái)，線程B則進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)線程A的任務(wù)處理完成，則通知線程B去容器中獲取數(shù)據(jù)，這樣基于線程等待和通知的機(jī)制來(lái)協(xié)作完成任務(wù)。

3、基礎(chǔ)方法

等待/通知機(jī)制的相關(guān)方法是Java中Object層級(jí)的基礎(chǔ)方法，任何對(duì)象都有該方法：

  • notify：隨機(jī)通知一個(gè)在該對(duì)象上等待的線程，使其結(jié)束wait狀態(tài)返回；
  • notifyAll：?jiǎn)拘言谠搶?duì)象上所有等待的線程，進(jìn)入對(duì)象鎖爭(zhēng)搶隊(duì)列中；
  • wait：線程進(jìn)入waiting等待狀態(tài)，不會(huì)爭(zhēng)搶鎖對(duì)象，也可以設(shè)置等待時(shí)間；

線程的等待通知機(jī)制，就是基于這幾個(gè)基礎(chǔ)方法。

二、等待通知原理

1、基本原理

等待/通知機(jī)制，該模式下指線程A在不滿足任務(wù)執(zhí)行的情況下調(diào)用對(duì)象wait()方法進(jìn)入等待狀態(tài)，線程B修改了線程A的執(zhí)行條件，并調(diào)用對(duì)象notify()或者notifyAll()方法，線程A收到通知后從wait狀態(tài)返回，進(jìn)而執(zhí)行后續(xù)操作。兩個(gè)線程通過(guò)基于對(duì)象提供的wait()/notify()/notifyAll()等方法完成等待和通知間交互，提高程序的可伸縮性。

2、實(shí)現(xiàn)案例

通過(guò)線程通信解決上述數(shù)據(jù)生成和存儲(chǔ)任務(wù)的解耦流程。

public class NotifyThread01 {

    static Object lock = new Object() ;
    static volatile List<String> dataList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread saveThread = new Thread(new SaveData(),"SaveData");
        saveThread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        Thread dataThread = new Thread(new AnalyData(),"AnalyData");
        dataThread.start();
    }
    // 等待數(shù)據(jù)生成，保存
    static class SaveData implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock){
                while (dataList.size()==0){
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"等待...");
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("SaveData .."+ dataList.get(0)+dataList.get(1));
            }
        }
    }
    // 生成數(shù)據(jù)，通知保存
    static class AnalyData implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock){
                dataList.add("hello,");
                dataList.add("java");
                lock.notify();
                System.out.println("AnalyData End...");
            }
        }
    }
}

注意：除了dataList滿足寫條件，還要在AnalyData線程執(zhí)行通知操作。

三、管道流通信

1、管道流簡(jiǎn)介

基本概念

管道流主要用于在不同線程間直接傳送數(shù)據(jù)，一個(gè)線程發(fā)送數(shù)據(jù)到輸出管道，另一個(gè)線程從輸入管道中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同線程間的通信。

實(shí)現(xiàn)分類

管道字節(jié)流：PipedInputStream和PipedOutputStream；

管道字符流：PipedWriter和PipedReader；

新IO管道流：Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel；

2、使用案例

public class NotifyThread02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        PipedInputStream pis = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();
        // 鏈接輸入流和輸出流
        pos.connect(pis);
        // 寫數(shù)據(jù)線程
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
                // 將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)寫入管道流
                PrintStream ps = new PrintStream(pos);
                while (true) {
                    try {
                        System.out.print(Thread.currentThread().getName());
                        ps.println(br.readLine());
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "輸入數(shù)據(jù)線程：").start();
        // 讀數(shù)據(jù)線程
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(pis));
                while (true) {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + br.readLine());
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "輸出數(shù)據(jù)線程：").start();
    }
}

寫線程向管道流寫入數(shù)據(jù)，讀線程讀取數(shù)據(jù)，完成基本通信流程。

四、生產(chǎn)消費(fèi)模式

1、業(yè)務(wù)場(chǎng)景

基于線程等待通知機(jī)制：實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)一件商品，通知商店賣出一件商品的業(yè)務(wù)流程。

2、代碼實(shí)現(xiàn)

public class NotifyThread03 {
    public static void main(String[] args) {
        Product product = new Product();
        ProductFactory productFactory = new ProductFactory(product);
        ProductShop productShop = new ProductShop(product);
        productFactory.start();
        productShop.start();
    }
}
// 產(chǎn)品
class Product {
    public String name ;
    public double price ;
    // 產(chǎn)品是否生產(chǎn)完畢,默認(rèn)沒(méi)有
    boolean flag ;
}
// 產(chǎn)品工廠：生產(chǎn)
class ProductFactory extends Thread {
    Product product ;
    public ProductFactory (Product product){
        this.product = product;
    }
    @Override
    public void run() {
        int i = 0 ;
        while (i < 20) {
            synchronized (product) {
                if (!product.flag){
                    if (i%2 == 0){
                        product.name = "鼠標(biāo)";
                        product.price = 79.99;
                    } else {
                        product.name = "鍵盤";
                        product.price = 89.99;
                    }
                    System.out.println("產(chǎn)品："+product.name+"【價(jià)格："+product.price+"】出廠...");
                    product.flag = true ;
                    i++;
                    // 通知消費(fèi)者
                    product.notifyAll();
                } else {
                    try {
                        // 進(jìn)入等待狀態(tài)
                        product.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}
// 產(chǎn)品商店：銷售
class ProductShop extends Thread {
    Product product ;
    public ProductShop (Product product){
        this.product = product ;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (product) {
                if (product.flag == true ){
                    System.out.println("產(chǎn)品:"+product.name+"【價(jià)格"+(product.price*2)+"】賣出...");
                    product.flag = false ;
                    product.notifyAll(); //喚醒生產(chǎn)者
                } else {
                    try {
                        product.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

流程描述：ProductFactory生成一件商品，通知商店售賣，通過(guò)flag標(biāo)識(shí)判斷控制是否進(jìn)入等待狀態(tài)，商店賣出商品后，再次通知工廠生產(chǎn)商品。

五、源代碼地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

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