三个线程顺序打印ABC?我有十二种做法，彻底掌握多线程同步通信机制

大家好，我是老三，这篇文章分享一道非常不错的题目：三个线程按序打印ABC。

很多读者朋友应该都觉得这道题目不难，这次给大家带来十二种做法，一定有你没有见过的新姿势。

1. synchronized+wait+notify

说到同步，我们很容易就想到synchronized。

线程间通信呢？我们先回忆一下线程间的调度。

可以看到，等待和运行之间的转换可以用wait和notify。

那么整体思路也就有了：

• 打印的时候需要获取锁
• 打印B的线程需要等待打印A线程执行完，打印C的线程需要等待打印B线程执行完

• 代码

public class ABC1 {
    
    
    //锁住的对象
    private final static Object lock = new Object();
    //A是否已经执行
    private static boolean aExecuted = false;
    //B是否已经执行过
    private static boolean bExecuted = false;

    public static void printA() {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            System.out.println("A");
            aExecuted = true;
            //唤醒所有等待线程
            lock.notifyAll();
        }
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            //获取到锁，但是要等A执行
            while (!aExecuted) {
    
    
                lock.wait();
            }
            System.out.println("B");
            bExecuted = true;
            lock.notifyAll();
        }
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            //获取到锁，但是要等B执行
            while (!bExecuted) {
    
    
                lock.wait();
            }
            System.out.println("C");
        }
    }

}

• 测试：后面几种方法的单测基本和这种方法一致，所以后面的单测就省略了。

    @Test
    void abc1() {
    
    
        //线程A
        new Thread(() -> {
    
    
            ABC1.printA();
        }, "A").start();
        //线程B
        new Thread(() -> {
    
    
            try {
    
    
                ABC1.printB();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "B").start();
        //线程C
        new Thread(() -> {
    
    
            try {
    
    
                ABC1.printC();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "C").start();
    }

2. lock+全局变量state

还可以用lock+state来实现，大概思路：

• 用lock来实现同步
• 用全局变量state标识改哪个线程执行，不执行就释放锁

• 代码

public class ABC2 {
    
    
    //可重入锁
    private final static Lock lock = new ReentrantLock();
    //判断是否执行：1表示应该A执行，2表示应该B执行，3表示应该C执行
    private static int state = 1;

    public static void printA() {
    
    
        //自旋
        while (state < 4) {
    
    
            try {
    
    
                //获取锁
                lock.lock();
                //并发情况下，不能用if，要用循环判断等待条件，避免虚假唤醒
                while (state == 1) {
    
    
                    System.out.println("A");
                    state++;
                }
            } finally {
    
    
                //要保证不执行的时候，锁能释放掉
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        while (state < 4) {
    
    
            try {
    
    
                lock.lock();
                //获取到锁，应该执行
                while (state == 2) {
    
    
                    System.out.println("B");
                    state++;
                }
            } finally {
    
    
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        while (state < 4) {
    
    
            try {
    
    
                lock.lock();
                while (state == 3) {
    
    
                    //获取到锁，应该执行
                    System.out.println("C");
                    state++;
                }
            } finally {
    
    
                lock.unlock();
            }
        }
    }

}

这里也有几个细节要注意：

• 要在循环里获取锁，不然线程可能会在获取到锁之前就终止了
• 要用while，而不是if判断，是否当前线程应该打印输出
• 要在finally里释放锁，保证其它的线程能获取到锁

3. volatile

上一种做法，我们用了同步+全局变量的方式，那么有没有什么更轻量级的做法？

我们可以直接用volatile修饰变量，volatile能保证变量的更改对所有线程可见。

• 代码

public class ABC3 {
    
    

    //判断是否执行：1表示应该A执行，2表示应该B执行，3表示应该C执行
    private static volatile Integer state = 1;

    public static void printA() {
    
    
        //通过循环，hang住线程
        while (state != 1) {
    
    
        }
        System.out.println("A");
        state++;
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        while (state != 2) {
    
    
        }
        System.out.println("B");
        state++;
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        while (state != 3) {
    
    
        }
        System.out.println("C");
        state++;
    }

}

4. AtomicInteger

除了无锁的volatile方法，还有没有什么轻量级锁的方法呢？

我们都知道synchronized和lock都属于悲观锁，我们还可以用乐观锁来实现。

在Java里，我们熟悉的原子操作类AtomicInteger就是基于CAS实现的，可以用来保证Integer操作的原子性。

• 代码

public class ABC4 {
    
    

    //判断是否执行：1表示应该A执行，2表示应该B执行，3表示应该C执行
    private static AtomicInteger state = new AtomicInteger(1);

    public static void printA() {
    
    
        System.out.println("A");
        state.incrementAndGet();
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        while (state.get() < 4) {
    
    
            while (state.get() == 2) {
    
    
                System.out.println("B");
                state.incrementAndGet();
            }
        }
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        while (state.get() < 4) {
    
    
            while (state.get() == 3) {
    
    
                System.out.println("C");
                state.incrementAndGet();
            }
        }
    }

}

5.lock+condition

在Java中，除了Object的wait和notify/notify可以实现等待/通知机制，Condition和Lock配合同样可以完成等待通知机制。

使用condition.await()，使当前线程进入等待状态，使用condition.signal()或者condition.signalAll()唤醒等待线程。

• 代码

public class ABC5 {
    
    
    //可重入锁
    private final static Lock lock = new ReentrantLock();
    //判断是否执行：1表示应该A执行，2表示应该B执行，3表示应该C执行
    private static int state = 1;
    //condition对象
    private static Condition a = lock.newCondition();
    private static Condition b = lock.newCondition();
    private static Condition c = lock.newCondition();

    public static void printA() {
    
    
        //通过循环，hang住线程
        while (state < 4) {
    
    
            try {
    
    
                //获取锁
                lock.lock();
                //并发情况下，不能用if，要用循环判断等待条件，避免虚假唤醒
                while (state != 1) {
    
    
                    a.await();
                }
                System.out.println("A");
                state++;
                b.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            } finally {
    
    
                //要保证不执行的时候，锁能释放掉
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        while (state < 4) {
    
    
            try {
    
    
                lock.lock();
                //获取到锁，应该执行
                while (state != 2) {
    
    
                    b.await();
                }
                System.out.println("B");
                state++;
                c.signal();
            } finally {
    
    
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        while (state < 4) {
    
    
            try {
    
    
                lock.lock();
                while (state != 3) {
    
    
                    c.await();
                }
                //获取到锁，应该执行
                System.out.println("C");
                state++;
            } finally {
    
    
                lock.unlock();
            }
        }
    }

}

6.信号量Semaphore

线程间同步，还可以使用信号量Semaphore，信号量顾名思义，多线程协作时完成信号传递。

使用acquire()获取许可，如果没有可用的许可，线程进入阻塞等待状态；使用release释放许可。

• 代码

public class ABC6 {
    
    

    private static Semaphore semaphoreB = new Semaphore(0);
    private static Semaphore semaphoreC = new Semaphore(0);

    public static void printA() {
    
    
        System.out.println("A");
        semaphoreB.release();
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        semaphoreB.acquire();
        System.out.println("B");
        semaphoreC.release();
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        semaphoreC.acquire();
        System.out.println("C");
    }

}

7.计数器CountDownLatch

CountDownLatch的一个适用场景，就是用来进行多个线程的同步管理，线程调用了countDownLatch.await()之后，需要等待countDownLatch的信号countDownLatch.countDown()，在收到信号前，它不会往下执行。

public class ABC7 {
    
    

    private static CountDownLatch countDownLatchB = new CountDownLatch(1);
    private static CountDownLatch countDownLatchC = new CountDownLatch(1);

    public static void printA() {
    
    
        System.out.println("A");
        countDownLatchB.countDown();
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        countDownLatchB.await();
        System.out.println("B");
        countDownLatchC.countDown();
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        countDownLatchC.await();
        System.out.println("C");
    }

}

8. 循环栅栏CyclicBarrier

用到了CountDownLatch，我们应该想到，还有一个功能和它类似的工具类CyclicBarrier。

有的翻译叫同步屏障，我觉得翻译成循环栅栏，更能体现它的功能特性。

就像是出去旅游，大家不同时间到了景区门口，但是景区疫情限流，先把栅栏拉下来，在景区里的游客走一批，打开栅栏，再放进去一批，走一批，再放进去一批……

这就是CyclicBarrier的两个特性，

• 栅栏：多个线程相互等待，到齐后再执行特定动作
• 循环：所有线程释放后，还能继续复用它

这道题怎么用CyclicBarrier解决呢？

• 线程B和线程C需要使用栅栏等待
• 为了让B和C也顺序执行，需要用一个状态，来标识应该执行的线程

• 代码

public class ABC8 {
    
    

    private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(1);
    private static Integer state = 1;

    public static void printA() {
    
    
        while (state != 1) {
    
    
        }
        System.out.println("A");
        state = 2;
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        try {
    
    
            //在栅栏前等待
            cyclicBarrier.await();
            //state不等于2的时候等待
            while (state != 2) {
    
    
            }
            System.out.println("B");
            state = 3;
        } catch (BrokenBarrierException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        try {
    
    
            cyclicBarrier.await();
            while (state != 3) {
    
    
            }
            System.out.println("C");
        } catch (BrokenBarrierException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

当然，CyclicBarrier的实现其实还是基于lock+condition，多个线程在到达一定条件前await，到达条件后signalAll。

9.交换器Exchanger

在前面，我们已经用到了常用的并发工具类，其实还有一个不那么常用的并发工具类Exchanger，同样也可以用来解决这道题目。

Exchanger用于两个线程在某个节点时进行数据交换，在这道题里：

• 线程A执行完之后，和线程B用一个交换器交换state，线程B执行完之后，和线程C用一个交换器交换state
• 在没有轮到自己执行之前，先进行等待

public class ABC9 {
    
    
    private static Exchanger<Integer> exchangerB = new Exchanger<>();
    private static Exchanger<Integer> exchangerC = new Exchanger<>();

    public static void printA() {
    
    
        System.out.println("A");
        try {
    
    
            //交换
            exchangerB.exchange(2);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void printB() {
    
    
        try {
    
    
            //交换
            Integer state = exchangerB.exchange(0);
            //等待
            while (state != 2) {
    
    
            }
            //执行
            System.out.println("B");
            //第二次交换
            exchangerC.exchange(3);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void printC() {
    
    
        try {
    
    
            Integer state = exchangerC.exchange(0);
            while (state != 3) {
    
    
            }
            System.out.println("C");
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Exchanger是基于ThreadLocal实现的，那么我们这个问题可以基于ThreadLocal来实现吗？

10.ThreadLocal

ThreadLocal，我们应该都了解过它的用法和原理，那么怎么用ThreadLocal实现三个线程顺序打印ABC呢？

子线程是并发执行的，但是主线程的代码是顺序执行的，我们在主线程里改变变量，子线程根据变量判断。

那么问题来了，子线程怎么获取主线程的变量呢？可以用InheritableThreadLocal。

• 代码

public class ABC10 {
    
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        //使用ThreadLocal存储变量
        ThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
        threadLocal.set(1);
        new Thread(() -> {
    
    
            System.out.println("A");
        }, "A").start();
        //设置变量值
        threadLocal.set(2);

        new Thread(() -> {
    
    
            //等待
            while (threadLocal.get() != 2) {
    
    
            }
            System.out.println("B");
        }, "B").start();
        threadLocal.set(3);

        new Thread(() -> {
    
    
            while (threadLocal.get() != 3) {
    
    
            }
            System.out.println("C");
        }, "C").start();
    }
}

11.管道流PipedStream

线程之间通信，还有一种比较笨重的办法——PipedInputStream/PipedOutStream。

一个线程使用PipedOutStream写数据，一个线程使用PipedInputStream读数据，而且Piped的读取只能一对一。

那么，在这道题里：

• 线程A使用PipedOutStream向线程B写入数据，线程B读取后，打印输出
• 线程B和C也是相同的姿势

• 代码

public class ABC11 {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        //线程A的输出流
        PipedOutputStream outputStreamA = new PipedOutputStream();
        //线程B的输出流
        PipedOutputStream outputStreamB = new PipedOutputStream();
        //线程B的输入流
        PipedInputStream inputStreamB = new PipedInputStream();
        //线程C的输入流
        PipedInputStream inputStreamC = new PipedInputStream();


        outputStreamA.connect(inputStreamB);
        outputStreamB.connect(inputStreamC);

        new Thread(() -> {
    
    
            System.out.println("A");
            try {
    
    
                //流写入
                outputStreamA.write("B".getBytes());
            } catch (IOException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "A").start();

        new Thread(() -> {
    
    
            //流读取
            byte[] buffer = new byte[1];
            try {
    
    
                inputStreamB.read(buffer);
                //转换成String
                String msg = new String(buffer);
                System.out.println(msg);
                outputStreamB.write("C".getBytes());
            } catch (IOException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "B").start();

        new Thread(() -> {
    
    
            byte[] buffer = new byte[1];
            try {
    
    
                inputStreamC.read(buffer);
                String msg = new String(buffer);
                System.out.println(msg);
            } catch (IOException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "C").start();
    }
}

12.阻塞队列BlockingQueue

阻塞队列同样也可以用来进行线程调度。

• 利用队列的长度，来确定执行者
• 利用队列的阻塞性，来保证入队操作同步执行。

• 代码

public class ABC12 {
    
    

    private static BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);

    public static void printA() {
    
    
        System.out.println("A");
        queue.offer("B");
    }

    public static void printB() throws InterruptedException {
    
    
        while (queue.size() != 1) {
    
    
        }
        System.out.println("B");
        queue.offer("C");
    }

    public static void printC() throws InterruptedException {
    
    
        while (queue.size() != 2) {
    
    
        }
        System.out.println("C");
    }

}

总结

这篇文章给大家带来了三个线程顺序打印ABC的的十二种做法，里面有些写法肯定是冗余的，大家有没有什么更好的写法呢？

通过十二种题解，我们基本上把Java并发中主要的线程同步和通信方式过了一遍，相信通过这道题的实践，我们也能对Java线程的同步和通信有更深的理解。

最后，也给大家留两道“进阶”一点的题目，感兴趣可以自己实现一下：

• 两个线程，一个线程打印奇数，一个线程打印偶数
• 按照顺序，三个线程分别打印A5次，B10次，C15次

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参考：

[1]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/368409843

[2].http://edisonxu.com/2017/03/02/java-thread-communication.html

[3].https://redspider.gitbook.io/concurrent/di-yi-pian-ji-chu-pian/5

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