实现线程同步的几种方式总结

在多线程中线程的执行顺序是依靠哪个线程先获得到CUP的执行权谁就先执行,虽然说可以通过线程的优先权进行设置,但是他只是获取CUP执行权的概率高点,但是也不一定必须先执行。在这种情况下如何保证线程按照一定的顺序进行执行,今天就来一个大总结,分别介绍一下几种方式。

  1. 通过Object的wait和notify
  2. 通过Condition的awiat和signal
  3. 通过一个阻塞队列
  4. 通过两个阻塞队列
  5. 通过SynchronousQueue 
  6. 通过线程池的Callback回调

一、通过Object的wait和notify

之前写过一篇文章介绍生产者与消费者模式就是用这个机制实现的,现在来一个简单的写法。写一个测试了Test,加上main方法,在写一个内部类Man进行测试。main方法如下,他进行创建两个线程,传进去Runnable对象。

    public static boolean flag = false;

    public static int num = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Man man = new Man();

        new Thread(() -> {
            man.getRunnable1();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            man.getRunnable2();
        }).start();
    }

getRunnable1和getRunnable2分别表示两个需要执行的任务,在两个线程中进行,方法1用于数据的生产,方法二用于数据的获取,数据的初始值为num = 0,为了保证生产和获取平衡需要使用wait和notify方法,这两个方法的使用必须是要加锁的,因此使用synchronized进行加锁使用,为了演示这个效果,我们加上一个sleep方法模拟处理时间,如下:

    public static class Man {
        
        public synchronized void getRunnable1() {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                while (flag) {
                    try {
                        wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("生产出:" + (++num) + "个");
                flag = true;
                notify();
            }
        }
        
        public synchronized void getRunnable2() {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                while (!flag) {
                    try {
                        wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //模拟加载时间
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("取出出:" + (num--) + "个");
                System.out.println("------------------");

                flag = false;
                notify();
            }
        }
    }

分析它的加载流程,从方法1进行分析,由于flag的初始条件为false,所以方法1不进入等待,直接进行生产,生产完成成之后,更新flag的值为true,同时notify下一个方法2的wait方法,使其变为唤醒状态。这时候由于方法1加锁了,无法执行方法1其他部分,当方法1执行完毕,方法1才有可能执行,但是方法1的flag已经为true,进入到wait里面又处于阻塞状态,所以这时候只能执行方法2了。由于方法2被唤醒了,阻塞解除,接下来就获取数据,当获取完毕又再次让flag变为false,notify方法1解除阻塞,再次执行方法1,就这样不断的循环,保证了不同线程的有序执行,直到程序终止。

运行效果如下:

二、通过Condition的awiat和signal

上面第一个的实现是一个阻塞,一个等待的方式保证线程有序的执行,但是不能进行两个线程之间进行通信,而接下来介绍的Condition就具备这样的功能。要获取Condition对象首先先得获取Lock对象,他是在jdk1.5之后增加的,比synchronized性能更好的一种锁机制。和上面的类似,拷贝一份代码,看看main方法:

    public static boolean flag = false;

    public static int num = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Man man = new Man();

        new Thread(() -> {
            man.getRunnable1();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            man.getRunnable2();
        }).start();
    }

情况和第一个实现方法分析一致,这里不重复了。主要看内部类Man中的方法1和方法2。先手创建锁对象,把synchronized改为使用Lock加锁,其次通过Lock创建Condition对象,替换掉Object类的wait方法为Condition的await方法,最后换掉notify方法为signal方法即可,执行原理和上面分析一致,代码如下:

    public static class Man {
        public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        public static Condition condition = lock.newCondition();

        public void getRunnable1() {
            lock.lock();
            try {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    while (flag) {
                        try {
                            condition.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println("生产出:" + (++num) + "个");
                    flag = true;
                    condition.signal();
                }
            } finally {
                lock.lock();
            }
        }

        public void getRunnable2() {
            lock.lock();
            try {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    while (!flag) {
                        try {
                            condition.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("取出出:" + (num--) + "个");
                    System.out.println("------------------");
                    flag = false;
                    condition.signal();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

执行结果如下:

三、通过一个阻塞队列

  上面的两个方法实现起来代码比较繁琐,如果通过阻塞队列来实现会更加简洁,这里采用常用的容量为64的ArrayBlockingQueue来实现。main方法如下:

    public static void main(String[] args) {
        Man man = new Man();

        new Thread(() -> {
            man.getRunnable1();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            man.getRunnable2();
        }).start();
    }

主要来看Man中的方法1和方法2,方法1中生产数据,这里把生产的数据存进队列里面,同时方法2进行取数据,如果方法1放满了或者方法2取完了就会被阻塞住,等待方法1生产好了或者方法2取出了,然后再进行。代码如下:

    public static class Man {

        ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(64);

        public void getRunnable1() {
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
                System.out.println("生产出:" + i + "个");
                try {
                    queue.put(i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("---------------生产完毕-----------------");
        }

        public void getRunnable2() {
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
                try {
                    int num = (int) queue.take();
                    System.out.println("取出出:" + num);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

很明显使用阻塞队列代码精炼了很多,在这还可以发现这个阻塞队列是具有缓存功能的,想很多Android中网络访问框架内部就是使用这个进行缓存的,例如Volley、Okhttp等等。

运行效果如下:

四、通过两个阻塞队列

使用一个阻塞队列能够实现线程同步的功能,两个阻塞队列也可以实现线程同步。原理是ArrayBlockingQueue他是具有容量的,如果把他的容量定位1则意味着他只能放进去一个元素,第二个方进行就会就会被阻塞。按照这个原理进行来实现,定义两个容量为1的阻塞队列ArrayBlockingQueue,一个存放数据,另一个用于控制次序。main方法和上面一致,主要来看看Man类中的两个方法:

    static class Man {
        //数据的存放
        ArrayBlockingQueue queue1 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
        //用于控制程序的执行
        ArrayBlockingQueue queue2 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);

        {
            try {
                //queue2放进去一个元素,getRunnable2阻塞
                queue2.put(22222);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        public void getRunnable1() {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 20; j++) {
                    try {
                        //queue1放进一个元素,getRunnable1阻塞

                        queue1.put(j);
                        System.out.println("存放   线程名称:" + Thread.currentThread().getName() + "-数据为-" + j);

                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    try {
                        //queue2取出元素,getRunnable2进入
                        queue2.take();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        public void getRunnable2() {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 20; j++) {
                    try {
                        //queue2放进一个元素,getRunnable2阻塞
                        queue2.put(22222);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    try {
                        //queue1放进一个元素,getRunnable1进入

                        int i = (int) queue1.take();
                        System.out.println("获取   线程名称:" + Thread.currentThread().getName() + "-数据为-" + i);

                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

再次提醒queue2用于控制程序的执行次序,并无实际含义。最后看看运行效果,存一个、取一个很清晰,如下:

五、通过SynchronousQueue

SynchronousQueue不同于一般的数据等线程,而是线程等待数据,他是一个没有数据缓冲的BlockingQueue,生产者线程对其的插入操作put必须等待消费者的移除操作take,反过来也一样。通过这一特性来实现一个多线程同步问题的解决方案,代码如下:

    /**
     * 使用阻塞队列SynchronousQueue
     * offer将数据插入队尾
     * take取出数据,如果没有则阻塞,直到有数据在获取到
     */
    public static void test() {
        SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        executorService.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                    queue.offer(9);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        try {
            int take = (int) queue.take();
            System.out.println(take);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

子线程中进行设置数据,而主线程获取数据,如果子线程没执行完毕,子线程没有执行完毕主线程就会被阻塞住不能执行下一步。

六、通过线程池的Callback回调

在线程的创建中,有一种创建方法可以返回线程结果,就是callback,他能返回线程的执行结果,通过子线程返回的结果进而在主线程中进行操作,也是一种同步方法,这种同步在Android中特别适用,例如Android中的AsyncTask源码中任务的创建部分。代码如下:

    private static void test() {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        Future<Boolean> submit = executorService.submit(new Callable<Boolean>() {
            @Override
            public Boolean call() throws Exception {
                return false;
            }
        });
        try {
            if (submit.get()) {
                System.out.println(true);
            } else {
                System.out.println(false);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

至此六大方法介绍完毕,前四种可以处理高并发的业务需求,三、五、六在Android网络请求、图片获取框架层更为常见。

 

 

 

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