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

 package threads.sync;

 public class Account {
     private String accountNo;
     private double balance;
     //if flag = false, means only deposit can be done
     private boolean flag = false;
     public Account() {}

     public Account(String accountNo, double balance) {
         this.accountNo = accountNo;
         this.balance = balance;
     }

     public String getAccountNo() {
         return accountNo;
     }

     public void setAccountNo(String accountNo) {
         this.accountNo = accountNo;
     }

     public double getBalance() {
         return balance;
     }

     public void setBalance(double balance) {
         this.balance = balance;
     }

     public int hashCode() {
         return accountNo.hashCode();
     }

     public boolean equals(Object obj) {
         if (this == obj) return true;
         if (obj != null && obj.getClass() == Account.class) {
             Account target = (Account)obj;
             return target.getAccountNo().equals(accountNo);
         }
         return false;
     }

     public synchronized void draw(double drawAmount) {
         try {
             //if flag = false, means only deposit can be done, draw method will be blocked
             if (!flag) {
                 wait();
             } else {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                         + "        draw money: " + drawAmount);
                 balance -= drawAmount;
                 System.out.println("            "
                         + " balance : " + balance);
                 flag = false;
                 notifyAll();
             }
         } catch (InterruptedException ex) {
             ex.printStackTrace();
         }
     }

     public synchronized void deposit(double depositAmount) {
         try {
             //if flag = false, means only draw can be done, deposit method will be blocked
             if (flag) {
                 wait();
             } else {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                         + "        deposit money: " + depositAmount);
                 balance += depositAmount;
                 System.out.println("            "
                         + " balance : " + balance);
                 flag = true;
                 notifyAll();
             }
         } catch (InterruptedException ex) {
             ex.printStackTrace();
         }
     }

 }

定义一个存款线程类depositThread

 package threads.sync;

 public class DepositThread extends Thread {
     private Account account;
     private double depositAmount;
     public DepositThread(String name, Account account, double depositAmount) {
         super(name);
         this.setAccount(account);
         this.setDepositAmount(depositAmount);
     }
     public Account getAccount() {
         return account;
     }
     public void setAccount(Account account) {
         this.account = account;
     }

     public double getDepositAmount() {
         return depositAmount;
     }
     public void setDepositAmount(double depositAmount) {
         this.depositAmount = depositAmount;
     }

     public void run() {
         for(int i=0 ; i<10; i++) {
             account.deposit(depositAmount);
         }

     }

 }

定义一个取款线程类depositThread

 package threads.sync;

 public class DrawThread extends Thread {
     private Account account;
     private double drawAmount;
     public DrawThread(String name, Account account, double drawAmount) {
         super(name);
         this.setAccount(account);
         this.setDrawAmount(drawAmount);
     }
     public Account getAccount() {
         return account;
     }
     public void setAccount(Account account) {
         this.account = account;
     }
     public double getDrawAmount() {
         return drawAmount;
     }
     public void setDrawAmount(double drawAmount) {
         this.drawAmount = drawAmount;
     }

     public void run() {
         for(int i=0 ; i<10; i++) {
             account.draw(drawAmount);
         }
     }
 }

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，

 package threads.sync;

 public class DrawTest {
     public static void main(String[] args) {
         Account acc = new Account("123456",1000);
         new DrawThread("DrawThread", acc, 800).start();
         new DepositThread("DepositThread-A",acc,800).start();
         new DepositThread("DepositThread-B",acc,800).start();
         new DepositThread("DepositThread-C",acc,800).start();
     }
 }

执行结果，

 DepositThread-A        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-B        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-C        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-C        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-C        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-C        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-C        deposit money: 800.0
                 balance : 1800.0
 DrawThread        draw money: 800.0
                 balance : 1000.0
 DepositThread-A        deposit money: 800.0
                 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，

 package threads.sync;

 import java.util.concurrent.locks.Condition;
 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

 public class Account {
     private String accountNo;
     private double balance;
     private boolean flag = false;
     //显示定义lock对象
     private final Lock lock = new ReentrantLock();
     //获取lock对象对应的condition
     private final Condition cond = lock.newCondition();
     public Account() {}

     public Account(String accountNo, double balance) {
         this.accountNo = accountNo;
         this.balance = balance;
     }

     public String getAccountNo() {
         return accountNo;
     }

     public void setAccountNo(String accountNo) {
         this.accountNo = accountNo;
     }

     public double getBalance() {
         return balance;
     }

     public void setBalance(double balance) {
         this.balance = balance;
     }

     public int hashCode() {
         return accountNo.hashCode();
     }

     public boolean equals(Object obj) {
         if (this == obj) return true;
         if (obj != null && obj.getClass() == Account.class) {
             Account target = (Account)obj;
             return target.getAccountNo().equals(accountNo);
         }
         return false;
     }

     public void draw(double drawAmount) {
         lock.lock();
         try {
             //if flag = false, means only deposit can be done, draw method will be blocked
             if (!flag) {
                 //this.wait();
                 cond.await();
             } else {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                         + "        draw money: " + drawAmount);
                 balance -= drawAmount;
                 System.out.println("            "
                         + "    balance : " + balance);
                 flag = false;
                 //this.notifyAll();
                 cond.signalAll();
             }
         } catch (InterruptedException ex) {
             ex.printStackTrace();
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }

     public void deposit(double depositAmount) {
         lock.lock();
         try {
             //if flag = false, means only draw can be done, deposit method will be blocked
             if (flag) {
                 //this.wait();
                 cond.await();
             } else {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                         + "        deposit money: " + depositAmount);
                 balance += depositAmount;
                 System.out.println("            "
                         + "    balance : " + balance);
                 flag = true;
                 //this.notifyAll();
                 cond.signalAll();
             }
         } catch (InterruptedException ex) {
             ex.printStackTrace();
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }

 }

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

 package threads.sync;

 import java.util.concurrent.BlockingQueue;

 public class Producter extends Thread {
     private BlockingQueue<String> bq;

     public Producter(BlockingQueue<String> bq) {
         this.bq = bq;
     }

     public void run() {
         String[] strArr = new String[] {
                 "Java",
                 "Struts",
                 "Spring"
         };

         for(int i = 0; i<999999; i++) {
             System.out.println(getName()+" 生产者准备生产集合元素");
             try {
                 Thread.sleep(200);
                 //如果队列已满，线程将阻塞
                 bq.put(strArr[i % 3]);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println(getName()+" 生产完成: " + bq);
         }
     }
 }

定义一个消费者类Consumer

 package threads.sync;

 import java.util.concurrent.BlockingQueue;

 public class Consumer extends Thread {
     private BlockingQueue<String> bq;

     public Consumer(BlockingQueue<String> bq) {
         this.bq = bq;
     }

     public void run() {

         while (true) {
             System.out.println(getName()+" 消费者准备消费集合元素");
             try {
                 Thread.sleep(200);
                 //如果队列已空，线程将阻塞
                 bq.take();
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println(getName()+" 消费完成: " + bq);
         }
     }
 }

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，

 package threads.sync;

 import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
 import java.util.concurrent.BlockingQueue;

 public class BlockingQueueTest {
     public static void main(String[] args) {
         BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue<String>(2);
         new Producter(bq).start();
         new Producter(bq).start();
         new Producter(bq).start();
         new Consumer(bq).start();
     }
 }

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。

 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-5 生产完成: [Java]
 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
 Thread-6 生产完成: [Java]
 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
 Thread-8 消费完成: [Java]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-5 生产完成: [Java, Struts]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Struts, Struts]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-5 生产完成: [Struts, Spring]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Spring, Spring]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 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。

 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 5 Thread-6 生产完成: []
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-5 生产完成: [Java]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-7 生产完成: [Java, Java]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: []
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Java, Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-5 生产完成: [Struts, Struts]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Struts, Spring]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-5 生产完成: [Spring, Spring]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-5 生产完成: [Spring, Java]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Java]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Java, Java]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Java]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Java, Spring]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Spring, Java]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Java]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Struts, Spring]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Spring, Java]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Java]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-7 生产完成: [Struts, Spring]
 Thread-7 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts, Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-8 消费完成: [Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-5 生产完成: [Spring, Struts]
 Thread-5 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素
 Thread-8 消费完成: [Struts, Spring]
 Thread-8 消费者准备消费集合元素
 Thread-6 生产完成: [Struts, Spring]
 Thread-6 生产者准备生产集合元素