多条线程之间有时需要数据交互,下面介绍五种线程间数据交互的方式,他们的使用场景各有不同。
1. volatile、synchronized关键字
PS:关于volatile的详细介绍请移步至:Java并发编程的艺术(三)——volatile
1.1 如何实现通信?
这两种方式都采用了同步机制实现多条线程间的数据通信。与其说是“通信”,倒不如说是“共享变量”来的恰当。当一个共享变量被volatile修饰 或 被同步块包裹后,他们的读写操作都会直接操作共享内存,从而各个线程都能看到共享变量最新的值,也就是实现了内存的可见性。
1.2 特点
- 这种方式本质上是“共享数据”,而非“传递数据”;只是从结果来看,数据好像是从写线程传递到了读线程;
- 这种通信方式无法指定特定的接收线程。当数据被修改后究竟哪条线程最先访问到,这由操作系统随机决定。
- 总的来说,这种方式并不是真正意义上的“通信”,而是“共享”。
1.3 使用场景
这种方式能“传递”变量。当需要传递一些公用的变量时就可以使用这种方式。如:传递boolean flag,用于表示状态、传递一个存储所有任务的队列等。
1.4 例子
用这种方式实现线程的开关控制。
// 用于控制线程当前的执行状态
private volatile boolean running = false; // 开启一条线程 Thread thread = new Thread(new Runnable(){ void run(){ // 开关 while(!running){ Thread.sleep(1000); } // 执行线程任务 doSometing(); } }).start(); // 开始执行 public void start(){ running = true; }
2. 等待/通知机制
2.1 如何实现?
等待/通知机制的实现由Java完成,我们只需调用Object类的几个方法即可。
- wait():将当前线程的状态改为“等待态”,加入等待队列,释放锁;直到当前线程发生中断或调用了notify方法,这条线程才会被从等待队列转移到同步队列,此时可以开始竞争锁。
- wait(long):和wait()功能一样,只不过多了个超时动作。一旦超时,就会继续执行wait之后的代码,它不会抛超时异常!
- notify():将等待队列中的一条线程转移到同步队列中去。
- notifyAll():将等待队列中的所有线程都转移到同步队列中去。
2.2 注意点
- 以上方法都必须放在同步块中;
- 并且以上方法都只能由所处同步块的锁对象调用;
- 锁对象A.notify()/notifyAll()只能唤醒由锁对象A wait的线程;
- 调用notify/notifyAll函数后仅仅是将线程从等待队列转移到阻塞队列,只有当该线程竞争到锁后,才能从wait方法中返回,继续执行接下来的代码;
2.3 QA
- 为什么wait必须放在同步块中调用?
因为等待/通知机制需要和共享状态变量配合使用,一般是先检查状态,若状态为true则执行wait,即包含“先检查后执行”,因此需要把这一过程加锁,确保其原子执行。
举个例子:
// 共享的状态变量
boolean flag = false;
// 线程1
Thread t1 = new Thread(new Runnable(){ public void run(){ while(!flag){ wait(); } } }).start(); // 线程2 Thread t2 = new Thread(new Runnable(){ public void run(){ flag = true; notifyAll(); } }).start();
上述例子thread1未加同步。当thread1执行到while那行后,判断其状态为true,此时若发生上下文切换,线程2开始执行,并一口气执行完了;此时flag已经是true,然而thread1继续执行,遇到wait后便进入等待态;但此时已经没有线程能唤醒它了,因此就一直等待下去。
-
为什么notify需要加锁?且必须和wait使用同一把锁?
首先,加锁是为了保证共享变量的内存可见性,让它发生修改后能直接写入共享内存,好让wait所处的线程立即看见。
其次,和wait使用同一把锁是为了确保wait、notify之间的互斥,即:同一时刻,只能有其中一条线程执行。 -
为什么必须使用同步块的锁对象调用wait函数?
首先,由于wait会释放锁,因此通过锁对象调用wait就是告诉wait释放哪个锁。
其次,告诉线程,你是在哪个锁对象上等待的,只有当该锁对象调用notify时你才能被唤醒。 -
为什么必须使用同步块的锁对象调用notify函数?
告诉notify,只唤醒在该锁对象上等待的线程。
2.4 代码实现
等待/通知机制用于实现生产者和消费者模式。
- 生产者
synchronized(锁A){
flag = true;// 或者:list.add(xx);
锁A.notify();
}
- 消费者
synchronized(锁A){
// 不满足条件
while(!flag){ // 或者:list.isEmpty()
锁A.wait();
}
// doSometing…… }
2.5 超时等待模式
在之前的生产者-消费者模式中,如果生产者没有发出通知,那么消费者将永远等待下去。为了避免这种情况,我们可以给消费者增加超时等待功能。该功能依托于wait(long)方法,只需在wait前的检查条件中增加超时标识位,实现如下:
public void get(long mills){
synchronized( list ){
// 不加超时功能 if ( mills <= 0 ) { while( list.isEmpty() ){ list.wait(); } } // 添加超时功能 else { boolean isTimeout = false; while(list.isEmpty() && isTimeout){ list.wait(mills); isTimeout = true; } // doSometing…… } } }
3. 管道流
3.1 作用
管道流用于在两个线程之间进行字节流或字符流的传递。
3.2 特点
- 管道流的实现依靠PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedWriter、PipedReader。分别对应字节流和字符流。
- 他们与IO流的区别是:IO流是在硬盘、内存、Socket之间流动,而管道流仅在内存中的两条线程间流动。
3.3 实现
步骤如下:
1. 在一条线程中分别创建输入流和输出流;
2. 将输入流和输出流连接起来;
3. 将输入流和输出流分别传递给两条线程;
4. 调用read和write方法就可以实现线程间通信。
// 创建输入流与输出流对象
PipedWriter out = new PipedWriter();
PipedReader in = new PipedReader();
// 连接输入输出流
out.connect(in);
// 创建写线程 class WriteThread extends Thread{ private PipedWriter out; public WriteThread(PipedWriter out){ this.out = out; } public void run(){ out.write("hello concurrent world!"); } } // 创建读线程 class ReaderThread extends Thread{ private PipedReader in; public ReaderThread(PipedReader in){ this.in = in; } public void run(){ in.read(); } } //
4. join
4.1 作用
- join能将并发执行的多条线程串行执行;
- join函数属于Thread类,通过一个thread对象调用。当在线程B中执行threadA.join()时,线程B将会被阻塞(底层调用wait方法),等到threadA线程运行结束后才会返回join方法。
- 被等待的那条线程可能会执行很长时间,因此join函数会抛出InterruptedException。当调用threadA.interrupt()后,join函数就会抛出该异常。
4.2 实现
public static void main(String[] args){
// 开启一条线程 Thread t = new Thread(new Runnable(){ public void run(){ // doSometing } }).start(); // 调用join,等待t线程执行完毕 try{ t.join(); }catch(InterruptedException e){ // 中断处理…… } }