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一直搞不懂Java线程通信,这次终于明白了

时间:2023-04-03 14:12:12  来源:今日头条  作者:石添的编程哲学

本文章收录于《JAVA并发编程》合集中,本篇来介绍线程间通信,线程间通信 使线程成为一个整体,提高系统之间的 交互性,在提高CPU利用率的同时可以对线程任务进行有效的把控与监督。

比如:多线程之间交替执行,多线程按顺序执行等,都需要使用线程通信技术,通过本篇文章您可以获得:

什么是线程通信,有什么作用

线程通信的三种实现方式

notifyAll的虚假唤醒问题,notify死锁问题

通过 ReentrantLock 实现精确唤醒

多线程按顺序执行的四种方案

线程通信常见面试题解析

相信你还有更多方式实现线程通信?不妨评论区告诉我们吧,高频率码字不易,觉得文章不错记得点赞支持一下哦!

线程间通信

线程之间的交互我们称之为线程通信【Inter-Thread Communication,简称ITC】,指多个线程处理同一资源,但是任务不同

比如:小明放假在家,肚子饿了,如果发现没有吃的就会喊:妈,我饿了,弄点吃的,如果妈妈发现没有吃的了就会做菜,通知小明吃饭,总之:有菜通知小明吃饭,没菜小明通知妈妈做饭,简直吃货一个

此时就是两个线程对饭菜这同一资源有不同的任务,妈妈线程就是做饭,小明线程是吃饭,如果想要实现上边的场景,就需要妈妈线程和小明线程之间通信

要实现线程之间通信一般有三种方法:

  • 使用Object对象锁的wAIt()、notify()和notifyAll()方法
  • 使用Java5新增的JUC中的ReentrantLock结合Condition
  • 使用JUC中的CountDownLatch【计数器】

对象锁wait和notifyAll方法实现

在此案例中,同一资源就是饭菜,小明对吃的操作是造,而妈妈对吃的操作是做

饭菜资源:

public class KitChenRoom {

    // 是否有吃的
    private boolean hasFood = false;
    // 设置同步锁,做饭和吃饭只能同时有一个在执行,不能边做边吃
    private Object lock = new Object();
    // 做饭
    public void cook() {
        // 加锁
        synchronized (lock) {
            // 如果有吃的,就不做饭
            if(hasFood) {
                // 还有吃的,先不做饭
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            // 否则就做饭,
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了,给娃做饭!");
            // 做好之后,修改为true
            hasFood = true;
            // 通知其他线程吃饭
            lock.notifyAll();
        }
    }
    
    // 吃饭
    public void eat() {
        synchronized (lock) {
            // 如果没吃的,就喊妈妈做饭,暂时吃不了
            if (!hasFood) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            // 否则就吃饭
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢老妈,恰饭,恰饭");
            // 吃完之后,修改为false
            hasFood = false;
            // 通知其他线程吃饭
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

测试类:

public class KitChenMain {
    public static void main(String[] args) {
                // 创建饭菜对象
        KitChenRoom chenRoom = new KitChenRoom();

        // 创建妈妈线程,做饭
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                chenRoom.cook();
            }
        },"妈妈线程:").start();

        // 创建小明线程,吃饭
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                chenRoom.eat();
            }
        },"小明线程:").start();
    }
}

运行结果:发现两个线程交替执行,没饭的时候妈妈做饭,有饭的时候小明就恰饭

虚假唤醒

在wait方法的源码注释中有这么一段话:

As in the one argument version, interrupts and spurious wakeups are possible, 
and this method should always be used in a loop

翻译:在单参数版本中,中断和虚假唤醒是可能的,并且该方法应始终在循环中使用

比如上边的 饭菜资源 代码中我们使用的是if判断是否有吃的

如果此时我们再开启一个大明线程吃饭,开启一个爸爸线程做饭,此时会发生什么问题呢

改造测试类:再开启一个大明线程和一个爸爸线程

public class KitChenMain {
    public static void main(String[] args) {

        KitChenRoom chenRoom = new KitChenRoom();

        // 创建妈妈线程
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                chenRoom.cook();
            }
        },"妈妈线程:").start();

        // 创建小明线程
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                chenRoom.eat();
            }
        },"小明线程:").start();
        // 爸爸线程:做饭
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                chenRoom.cook();
            }
        },"爸爸线程:").start();

        // 大明线程:吃饭
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                chenRoom.eat();
            }
        },"大明线程:").start();
    }
}

运行结果:发现爸爸线程和妈妈线程连着做了三次饭

原因:

  • 这是由于wait方法的机制导致的,wait方法会使线程阻塞,直到被唤醒之后才会运行,在哪里阻塞,再次被唤醒之后得到CPU执行权,就会在哪里继续运行
  • 现在是4条线程,假设爸爸线程运行之后将 hasFood 改为true,此时爸爸线程就会唤醒其他线程,也就是妈妈线程和小明,大明线程都会被唤醒,如果此时妈妈线程获取到CPU时间片开始运行,判断 hasFood 为 true,那么就触发wait等待,等待之后就会释放CPU执行权,唤醒其他线程
  • 如果此时爸爸线程又获取到CPU执行权,同样判断hasFood之后为true,就会进入等待,唤醒其他线程,如果此时CPU执行权又分配给了妈妈线程,因为之前已经经过了判断,就会在wait的地方,继续执行,就会触发给娃做饭,之后再唤醒其他线程
  • 此时爸爸线程得到CPU时间片,则会在上次wait的地方继续执行,同样的给娃做饭,就会出现上图的效果,爸妈线程交替做饭

解决:将if替换为while,while语句块每次执行完之后都会重新判断,知道条件不成立才会结束循环,即可解决

public class KitChenRoom {

    private boolean hasFood = false;

    private Object lock = new Object();

    public void cook() {
        // 加锁
        synchronized (lock) {
            // 将if替换为while
            while(hasFood) {
                // 还有吃的,先不做饭
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            // 否则就做饭,
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了,给娃做饭!");
            // 做好之后,修改为true
            hasFood = true;
            // 通知其他线程吃饭
            lock.notifyAll();
        }
    }

    // 吃饭
    public void eat() {
        synchronized (lock) {
            // 将if替换为while
            while (!hasFood) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            // 否则就吃饭
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢老妈,恰饭,恰饭");
            // 吃完之后,修改为false
            hasFood = false;
            // 通知其他线程吃饭
            lock.notifyAll();
        }
    }

}

运行结果:发现做饭和吃饭交替执行

为什么使用while就能解决呢?其实就是 if和while的区别

由于在多线程内容中,有很多小伙伴犯迷,为什么用while就解决了,其实是思路没有打开,把以前学的东西都忘记了,满脑子都是多线程的东西,你说是不是!学习要融会贯通,将前后所有的知识点串起来

解决虚假唤醒非常简单,其实就是利用了while的特性,while体每次执行都会循环再次判断条件,直到条件不成立跳出循环,在这也是一样:

  • 妈妈线程执行发现hasFood = true,就进入等待,再次得到cpu时间片执行时,在哪里等待就在哪里醒来继续执行,也就是再lock.wait()的地方继续执行
  • 由于该代码在while循环中,会循环判断,如果hasFood = true继续wait,如果hasFood = false就跳出循环,执行循环体之外的代码
  • 但是如果是if,就只会判断一次,醒来之后不会再次判断,因为lock.wait()代码已经执行过了,会直接向下执行,开始给娃做饭

notify和notifyAll

上边我们使用notifyAll唤醒了所有线程,如果将notifyAll替换为notify会发生什么?

public class KitChenRoom {

    private boolean hasFood = false;
    private Object lock = new Object();

    public void cook() {
        synchronized (lock) {
            while (hasFood) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了,给娃做饭!");
            hasFood = true;
            // // 替换为notify
            lock.notify();
        }
    }

    public void eat() {
        synchronized (lock) {
            while (!hasFood) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            hasFood = false;
            // 替换为notify
            lock.notify();
        }
    }
}

运行结果:运行三次,发现前两次程序卡住不动,产生死锁,第三次正常执行完

在解释这个原因之前先搞清楚 锁池 和 等待池 两个概念:

  • 锁池:假设线程A已经拥有了某个对象的锁【注意:不是类】,而其它的线程想要调用这个对象的某个synchronized方法【或者synchronized块】,由于这些线程在进入对象的synchronized方法之前必须先获得该对象的锁的拥有权,但是该对象的锁目前正被线程A拥有,所以这些线程就进入了该对象的锁池中。
  • 等待池:假设一个线程A调用了某个对象的wait()方法,线程A就会释放该对象的锁,之后进入到了该对象的等待池中

对象锁:任何一个对象都可以被当做锁,所以称为对象锁,比如下方代码lock1和lock2就是两把对象锁,都有自己独立的锁池和等待池

  • 调用 lock1.wait() 就是该线程进入到lock1对象锁的等待池中
  • lock1.notify()就是唤醒lock1对象锁的等待池中的随机一个等待线程,lock1.notifyAll(); 就是唤醒该等待池中所有等待线程
  • lock1的锁池和等待池与lock2是独立的,互不影响,并不会唤醒彼此等待池中的线程
// 锁1
private Object lock1 = new Object();
// 锁2
private Object lock2 = new Object();

public void cook() {
    // 使用lock1对象锁
    synchronized (lock1) {
        lock1.wait();
    }
    lock1.notify();
}

调用wait、notify、notifyAll之后线程变化:

  • 如果线程调用了对象的wait()方法,那么线程便会处于该对象的等待池中,等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。
  • 当有线程调用了对象的notifyAll()方法【唤醒所有该对象等待池中的 wait 线程】或 notify()方法【只随机唤醒一个该对象等待池中的 wait 线程】,被唤醒的的线程便会进入该对象的锁池中,锁池中的线程会去竞争该对象锁。也就是说,调用了notify后只要一个线程会由等待池进入锁池,而notifyAll会将该对象等待池内的所有线程移动到锁池中,等待锁竞争
  • 优先级高的线程竞争到对象锁的概率大,假若某线程没有竞争到该对象锁,它还会留在锁池中,唯有线程再次调用wait()方法,它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行,直到执行完了 synchronized 代码块,它会释放掉该对象锁,这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁。

为什么会死锁呢?

KitChenRoom中有 cook 和 eat 两个方法都是有同步代码块,并且进入while之后就会调用lock对象锁的wait方法,所以多个调用过cook和eat方法的线程就会进入等待池处于阻塞状态,等待一个正在运行的线程来唤醒它们。下面分别分析一下使用notify和notifyAll方法唤醒线程的不同之处:

  • 使用notify:notify方法只能唤醒一个线程,其它等待的线程仍然处于wait状态,假设调用cook方法的线程执行完后,所有的线程都处于等待状态,此时又执行了notify方法,这时如果唤醒的仍然是一个调用cook方法的线程【比如爸爸线程 将 妈妈线程唤醒】,那么while循环等于true,则此唤醒的线程【妈妈线程】就会调用wait方法,也会处于等待状态,而且没有唤醒其他线程,那就芭比Q了,此时所有的线程都处于等待状态,就发生了死锁。
  • 使用notifyAll:可以唤醒所有正在等待该锁的线程,那么所有的线程都会处于运行前的准备状态(就是cook方法执行完后,唤醒了所有等待该锁的线程),那么此时,即使再次唤醒一个调用cook方法的线程,while循环等于true,唤醒的线程再次处于等待状态,那么还会有其它的线程可以获得锁,进入运行状态。

解决wait死锁的两种方案:

  • 通过调用notifyAll唤醒所有等待线程
  • 调用 wait(long timeout) 重载方法,设置等待超时时长,在指定时间内还没被唤醒则自动醒来

下边仍然是调用 notify 唤醒等待池中的一个线程,但是调用wait(long timeout) 超时等待方法,让线程进入等待状态

public class KitChenRoom {

    private boolean hasFood = false;
    private Object lock = new Object();

    public void cook() {
        synchronized (lock) {
            while (hasFood) {
                try {
                    // 超时等待 2 秒
                    lock.wait(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了,给娃做饭!");
            hasFood = true;
            lock.notify();
        }
    }

    public void eat() {
        synchronized (lock) {
            while (!hasFood) {
                try {
                    // 超时等待 2 秒
                    lock.wait(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢老妈,恰饭,恰饭");
            hasFood = false;
            lock.notify();
        }
    }
}

运行结果:运行三次发现,第一次程序陷入了两次等待2秒之后程序继续执行,这就是超时自动唤醒,避免了死锁

总结:

  • notify方法很容易引起死锁,除非你根据自己的程序设计,确定不会发生死锁,notifyAll方法则是线程的安全唤醒方法
  • 如果程序允许超时唤醒,则可以使用wait(long timeout)方法
  • wait(long timeout,int nanou):与 wait(long timeout)相同,不过提供了纳秒级别的更精确的超时控制

ReentrantLock结合Condition

Condition是JDK1.5新增的接口,在java.util.concurrent.locks 包中,提供了类似的Object的监视器方法,与Lock配合可以实现等待/通知模式,方法作用在下方源码中已简单注释,想要查看详细说明,强烈建议看源码,通过翻译软件翻译一下就行!

package java.util.concurrent.locks;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.Date;

public interface Condition {

    //使当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
    void await() throws InterruptedException;

    // 使当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意:该方法对中断不敏感】。
    void awaitUninterruptibly();

    // 使当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
    // 返回值表示剩余时间,如果在nanosTimesout之前唤醒,那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间,如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

    // 使当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // 使当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知,则返回true,否则表示到了指定时间,返回返回false
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

    // 唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
    void signal();

    // 唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁
    void signalAll();
}

在此我们通过经典的生产者消费者案例说一下Condition实现线程通信,多几种案例思维更宽阔,多样化理解对技术刺激更大

案例:有一个快递点,可以接货和送货,最多存放5个包裹,再放就提示包裹已满,派件时包裹送完就不能再送,提示没有包裹,不能派送

快递点:

package com.stt.thread.communication;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 快递点:
 * goodsNumber: 快递数量,默认为0,最多5个,保障原子性使用 AtomicInteger 
 * receiving() : 收货方法,累加货物数量,每次 + 1
 * dispatch() : 派送方法,递减数量,每次 - 1
 * 注意:因为使用 Condition 实现,Condition 需要通过 ReentrantLock 获取,
 *      所以可以使用 ReentrantLock实现同步就不需要 synchronized
 */
public class ExpressPoint {

    // 快递数量,使用原子类
    private AtomicInteger goodsNumber = new AtomicInteger();

    // 锁对象
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 创建线程通信对象
    private Condition condition = lock.newCondition();

    // 收货方法,使用Lock锁,就不需要synchronized同步了
    public void receiving() {
        // 上锁
        lock.lock();
        // 写try...finally,保障无论是否发生异常都可以解锁,避免死锁
        try {
            // 如果达到5个,就提示,并且等待
            while (goodsNumber.get() == 5) {
                System.out.println("库房已满,已不能再接收!");
                // 等待,有异常抛出
                condition.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已收到编号:" + goodsNumber.incrementAndGet() + "的包裹");
            // 唤醒其他线程
            condition.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            // 解锁
            lock.unlock();
        }
    }
    // 派送方法
    public void dispatch() {
        // 上锁
        lock.lock();
        try {
            // 等于0就不能再派送
            while (goodsNumber.get() == 0) {
                System.out.println("没有包裹,不能派送!");
                condition.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已送出编号:" + goodsNumber.get() + "的包裹");
            goodsNumber.decrementAndGet();
            condition.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            // 解锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

测试类:通过while死循环,不断接货和送货

public class ExpressPointMain {

    public static void main(String[] args) {
        ExpressPoint expressPoint = new ExpressPoint();

        // 收货线程
        new Thread(() -> {
            while (true){
                expressPoint.receiving();
            }
        },"收货员").start();

        // 送货线程
        new Thread(() -> {
            while (true){
                expressPoint.dispatch();
            }
        },"送货员").start();
    }
}

运行结果:发现收货员线程和送货员线程交替执行,并且库存满和送完之后都有对应的提示

总结:在Condition中,用await()替换wait(),用signal()替换 notify(),用signalAll()替换notifyAll(),对于我们以前使用传统的Object方法,Condition都能够给予实现

Condition 精准唤醒

不同的 Condition 可以用来等待和唤醒不同的线程,类似于上边我们说的等待池,但是Condition是通过队列实现等待和唤醒,Condition的await()方法,会使得当前线程进入等待队列并释放锁,同时线程状态变为等待状态。当从await()返回时,当前线程一定是获取了Condition相关联的锁。Condition实现方式在后边我们再分析

上边调用await 和 signalAll方法是控制所有该Condition对象的线程,我们有两个线程分别为收货和送货,我们可以创建两个Condition对象来精准控制等待和唤醒收货和送货线程。

package com.stt.thread.communication;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
定义两个 Condition 对象,一个控制收货线程等待和唤醒,一个控制送货线程的等待和唤醒
 */
public class ExpressPoint {

    // 快递数量,使用原子类
    private AtomicInteger goodsNumber = new AtomicInteger();

    // 锁对象
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 创建线程通信对象
    private Condition receivingCondition = lock.newCondition();
    private Condition dispatchCondition = lock.newCondition();

    // 收货方法,使用Lock锁,就不需要synchronized同步了
    public void receiving() {
        // 上锁
        lock.lock();
        // 写try...finally,保障无论是否发生异常都可以解锁,避免死锁
        try {
            // 判断是否继续接货
            while (goodsNumber.get() == 5) {
                System.out.println("库房已满,已不能再接收!");
                // 让收货线程进入等待
                receivingCondition.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已收到编号:" + goodsNumber.incrementAndGet() + "的包裹");
            // 仅仅唤醒送货线程
            dispatchCondition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            // 解锁
            lock.unlock();
        }
    }
    // 派送方法
    public void dispatch() {
        // 上锁
        lock.lock();
        try {
            // 判断是否继续送货
            while (goodsNumber.get() == 0) {
                System.out.println("没有包裹,不能派送!");
                // 送货线程等待
                dispatchCondition.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已送出编号:" + goodsNumber.get() + "的包裹");
            goodsNumber.decrementAndGet();
            // 唤醒收货线程
            receivingCondition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            // 解锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

运行结果:运行结果是一样的,只是仅仅会让对应的线程等待和唤醒

Condition实现分析

等待队列

Conditiont的等待队列是一个FIFO队列,队列的每个节点都是等待在Condition对象上的线程的引用,该线程就是在Condition对象上等待的线程,如果一个线程调用了Condition.await(),那么该线程就会释放锁,构成节点加入等待队列并进入等待状态。

从下图可以看出来Condition拥有首尾节点的引用,而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter指向它,并更新尾节点即可。上述节点引用更新过程没有使用CAS机制,因为在调用await()的线程必定是获取了锁的线程,该过程由锁保证线程的安全。

一个Lock(同步器)拥有一个同步队列和多个等待队列:

如上边的例子:就是拥有receivingCondition 和 dispatchCondition两个等待队列

private Condition receivingCondition = lock.newCondition();
private Condition dispatchCondition = lock.newCondition();

等待

调用Condition的await()方法,会使得当前线程进入等待队列并释放锁,同时线程状态变为等待状态。当从await()返回时,当前线程一定是获取了Condition相关联的锁。

线程触发await()这个过程可以看作是同步队列的首节点【当前线程肯定是成功获得了锁,才会执行await方法,因此一定是在同步队列的首节点】移动到了Condition的等待队列的尾节点,并释放同步状态进入等待状态,同时会唤醒同步队列的后继节点

唤醒

  • 调用signal():会唤醒再等待队列中的首节点,该节点也是到目前为止等待时间最长的节点
  • 调用signalAll():将等待队列中的所有节点全部唤醒,相当于将等待队列中的每一个节点都执行一次signal()

CountDownLatch

Java5之后在 java.util.concurrent 也就是【JUC】包中提供了很多并发编程的工具类,如 CountDownLatch 计数器是基于 AQS 框架实现的多个线程之间维护共享变量的类

使用场景

可以通过 CountDownLatch 使当前线程阻塞,等待其他线程完成给定任务,比如,等待线程完成下载任务之后,提示用户下载完成;导游等待所有游客参观完之后去下一个景点等

使用介绍

CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器,如果你想等待n个点完成,这里就传入n。这里所说的n个点,可以是n个线程,也可以是1个线程里的n个执行步骤。CountDownLatch 构造函数如下:

public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
 }

计数器参数count必须大于等于0,等于0的时候,调用await方法时不会阻塞当前线程。

当我们调用CountDownLatch的countDown()方法时,n就会减1,CountDownLatch的await()方法会阻塞当前线程,直到n变成零,继续执行。

CountDownLatch 方法

  • await():阻塞当前线程,直到计数器为零为止
  • await(long timeout, TimeUnit unit):await()的重载方法,可以指定阻塞时长
  • countDown():计数器减1,如果计数达到零,释放所有等待的线程
  • getCount(): 返回当前计数

案例:比如开一把英雄联盟,需要10个人加载完成才会进入游戏,可以理解为10个线程运行完毕之后进入游戏页面

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class LoadingGame {

    public static void main(String[] args) {
        // 计数器
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
        // 玩家数组
        String[] player = new String[10];
        // 随机数,用来加载进度条时线程睡眠使用,防止直接加载到100
        Random random = new Random();
        // 循环开启10个线程,即10个玩家
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // 记录玩家在数组中的下标
            int index = i;
            new Thread(() -> {
                // 循环进度条到100
                for (int j = 0; j <= 100; j++) {
                    try {
                        // 每加载 1% 就随机睡眠一段时间
                        Thread.sleep(random.nextInt(100));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    // 修改指定玩家进度条
                    player[index] = j +"%";
                    // 输出当前所有的玩家进度
                    System.out.print("r" + Arrays.toString(player));
                }
                // 每加载完一个玩家计数-1
                latch.countDown();
            }).start();
        }
        try {
            // 阻塞当前线程【main线程】,等待十个玩家加载结束后唤醒
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("n"+"游戏开始");
    }
}

运行结果:发现主线程等待10个子线程加载到100时才执行

高频面试题——如何保证多个线程按顺序执行

其实就是让线程按照指定的顺序一个一个执行,这里结合同一案例给大家介绍4种方法:

案例:老师布置作业之后,学生开始写作业,学生写完作业老师批改,之后老师再将学生的作业情况记录下来,这个顺序不可错乱

Thread的join方法

public class HomeworkJoin {
    public static void main(String[] args) {

        // 布置作业线程
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("......老师布置作业......");
        });

        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                // t1插入执行,也就是插队
                t1.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("......学生写作业......");
        });


        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            try {
                // t2插队
                t2.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("......老师检查作业......");
        });

        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            try {
                // t3插队
                t3.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("......老师记录作业情况......");
        });

        // 开启线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();

        // t1线程插队
        try {
            t4.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("......作业布置和检查结束......");
    }
}

运行结果:

使用Condition(条件变量)

我们可以使用Condition精确唤醒下一个需要执行的线程

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

public class HomeworkCondition {
    // 锁对象
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    // 阻塞队列
    private static Condition doWork = lock.newCondition();
    private static Condition checkWork = lock.newCondition();
    private static Condition recordWork = lock.newCondition();

    /**
     * 为什么要加这三个标识状态?
     * 如果没有状态标识,线程就无法正确唤醒,就一直处于等待状态
     */
    private static Boolean t1Run = false;
    private static Boolean t2Run = false;
    private static Boolean t3Run = false;

    public static void main(String[] args) {
        // 布置作业线程
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("......老师布置作业......");
                // t1执行完毕
                t1Run = true;
                // 唤醒doWork等待队列中的第一个线程
                doWork.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }

        });
        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                // 判断是否布置作业
                if(!t1Run) {
                    // 还没布置作业,先不写作业,进入等待队列
                    doWork.await();
                }
                System.out.println("......学生写作业......");
                t2Run = true;
                // 唤醒checkWork等待队列第一个线程
                checkWork.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        // 老师家查作业,需要学生写完
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                // 判断学生是否写完作业
                if(!t2Run) {
                    // 没写完,先不检查,进入等待队列
                    checkWork.await();
                }
                System.out.println("......老师检查作业......");
                t3Run = true;
                // 唤醒recordWork等待队列第一个线程
                recordWork.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        // 老师上传作业情况,需要检查完
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                if(!t3Run) {
                    recordWork.await();
                }
                System.out.println("......老师记录作业情况......");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

使用CountDownLatch(倒计数)

声明三个 CountDownLatch 计数器,初始只都为 1,每次执行上一部操作之后下一步操作的计数器 -1,当计数器值为0时就继续执行,否则就陷入等待

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class HomeworkCountDownLatch {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建三个计数器
        CountDownLatch doWork = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch checkWork = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch recordWork = new CountDownLatch(1);

        // 布置作业线程
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("......老师布置作业......");
            // 布置作业之后,做作业计数器 -1
            doWork.countDown();
        });

        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                doWork.await();
                System.out.println("......学生写作业......");
                // 对 检查作业 -1
                checkWork.countDown();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });


        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            try {
                doWork.await();
                System.out.println("......老师检查作业......");
                // 对 录入作业情况 -1
                recordWork.countDown();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }

        });

        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            try {
                recordWork.await();
                System.out.println("......老师记录作业情况......");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

使用CyclicBarrier(回环栅栏)

CyclicBarrier可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行,【回环】是因为当所有等待线程都被释放以后,CyclicBarrier可以被重用,可以把这个状态当做barrier,当调用await()方法之后,线程就处于barrier了。示例如下:

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class HomeworkCyclicBarrier {
    public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrier doWork = new CyclicBarrier(2);
        CyclicBarrier checkWork = new CyclicBarrier(2);
        CyclicBarrier recordWork = new CyclicBarrier(2);

        // 布置作业线程
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println("......老师布置作业......");
                //放开栅栏1
                doWork.await();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });

        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                //放开栅栏1
                doWork.await();
                System.out.println("......学生写作业......");
                //放开栅栏2
                checkWork.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });


        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t3 = new Thread(() -> {

            try {
                //放开栅栏2
                checkWork.await();
                System.out.println("......老师检查作业......");
                //放开栅栏3
                recordWork.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }

        });

        // 学生写作业,需要等待老师布置完
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            try {
                //放开栅栏3
                recordWork.await();
                System.out.println("......老师记录作业情况......");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }

        });
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

此四种方法都可以实现同样的效果,当然你也可以使用Object的wait() 和 notify()/notifyAll()实现

高频面试题——Thread.join()和CountDownLatch的区别

  • Thread.join()是Thread类的一个方法,Thread.join()的实现是依靠Object的wait()和notifyAll()来完成的,而CountDownLatch是JUC包中的一个工具类

当我们使用ExecutorService 【线程池】,就不能使用join,必须使用CountDownLatch,比如:

ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
for(int x = 0; x < 5; x++) {
    service.submit(new Runnable() {
        public void run() {
            // do something
            latch.countDown();
        }
    });
}
latch.await();
  • 调用join方法需要等待thread执行完毕才能继续向下执行,而CountDownLatch只需要检查计数器的值为零就可以继续向下执行,相比之下,CountDownLatch更加灵活一些,可以实现一些更加复杂的业务场景。

为什么wait, notify和notifyAll这些方法在Object类中不在Thread类里面?

Java提供的锁是对象级的而不是线程级的,线程为了进入临界区【也就是同步块内】,需要获得锁并等待锁可用,它们并不知道也不需要知道哪些线程持有锁,它们只需要知道当前资源是否被占用,是否可以获得锁,所以锁的持有状态应该由同步监视器来获取,而不是线程本身。

如果Java不提供关键字来解决线程之间的通信,锁是对象级别,由于wait,notify,notifyAll都是锁级别的操作,每个对象都可以当做锁所以把他们定义在Object类中是最合适的。​



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在软件开发中,插件系统为应用程序提供了巨大的灵活性和可扩展性。它们允许开发者在不修改核心代码的情况下扩展和定制应用程序的功能。本文将详细介绍如何构建一个灵活的Java...【详细内容】
2024-03-20  Search: Java  点击:(20)  评论:(0)  加入收藏
Java 8 内存管理原理解析及内存故障排查实践
本文介绍Java8虚拟机的内存区域划分、内存垃圾回收工作原理解析、虚拟机内存分配配置,以及各垃圾收集器优缺点及场景应用、实践内存故障场景排查诊断,方便读者面临内存故障时...【详细内容】
2024-03-20  Search: Java  点击:(14)  评论:(0)  加入收藏
如何编写高性能的Java代码
作者 | 波哥审校 | 重楼在当今软件开发领域,编写高性能的Java代码是至关重要的。Java作为一种流行的编程语言,拥有强大的生态系统和丰富的工具链,但是要写出性能优异的Java代码...【详细内容】
2024-03-20  Search: Java  点击:(24)  评论:(0)  加入收藏
在Java应用程序中释放峰值性能:配置文件引导优化(PGO)概述
译者 | 李睿审校 | 重楼在Java开发领域,优化应用程序的性能是开发人员的持续追求。配置文件引导优化(Profile-Guided Optimization,PGO)是一种功能强大的技术,能够显著地提高Ja...【详细内容】
2024-03-18  Search: Java  点击:(25)  评论:(0)  加入收藏
对JavaScript代码压缩有什么好处?
对JavaScript代码进行压缩主要带来以下好处: 减小文件大小:通过移除代码中的空白符、换行符、注释,以及缩短变量名等方式,可以显著减小JavaScript文件的大小。这有助于减少网页...【详细内容】
2024-03-13  Search: Java  点击:(2)  评论:(0)  加入收藏
跨端轻量JavaScript引擎的实现与探索
一、JavaScript 1.JavaScript语言JavaScript是ECMAScript的实现,由ECMA 39(欧洲计算机制造商协会39号技术委员会)负责制定ECMAScript标准。ECMAScript发展史: 2.JavaScript...【详细内容】
2024-03-12  Search: Java  点击:(2)  评论:(0)  加入收藏
面向AI工程的五大JavaScript工具
令许多人惊讶的是,一向在Web开发领域中大放异彩的JavaScript在开发使用大语言模型(LLM)的应用程序方面同样大有价值。我们在本文中将介绍面向AI工程的五大工具,并为希望将LLM...【详细内容】
2024-02-06  Search: Java  点击:(53)  评论:(0)  加入收藏
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2024-03-20  vivo互联网技术    Tags:Java 8   点击:(14)  评论:(0)  加入收藏
如何编写高性能的Java代码
作者 | 波哥审校 | 重楼在当今软件开发领域,编写高性能的Java代码是至关重要的。Java作为一种流行的编程语言,拥有强大的生态系统和丰富的工具链,但是要写出性能优异的Java代码...【详细内容】
2024-03-20    51CTO  Tags:Java代码   点击:(24)  评论:(0)  加入收藏
在Java应用程序中释放峰值性能:配置文件引导优化(PGO)概述
译者 | 李睿审校 | 重楼在Java开发领域,优化应用程序的性能是开发人员的持续追求。配置文件引导优化(Profile-Guided Optimization,PGO)是一种功能强大的技术,能够显著地提高Ja...【详细内容】
2024-03-18    51CTO  Tags:Java   点击:(25)  评论:(0)  加入收藏
Java生产环境下性能监控与调优详解
堆是 JVM 内存中最大的一块内存空间,该内存被所有线程共享,几乎所有对象和数组都被分配到了堆内存中。堆被划分为新生代和老年代,新生代又被进一步划分为 Eden 和 Survivor 区,...【详细内容】
2024-02-04  大雷家吃饭    Tags:Java   点击:(57)  评论:(0)  加入收藏
在项目中如何避免和解决Java内存泄漏问题
在Java中,内存泄漏通常指的是程序中存在一些不再使用的对象或数据结构仍然保持对内存的引用,从而导致这些对象无法被垃圾回收器回收,最终导致内存占用不断增加,进而影响程序的性...【详细内容】
2024-02-01  编程技术汇  今日头条  Tags:Java   点击:(68)  评论:(0)  加入收藏
Java中的缓存技术及其使用场景
Java中的缓存技术是一种优化手段,用于提高应用程序的性能和响应速度。缓存技术通过将计算结果或者经常访问的数据存储在快速访问的存储介质中,以便下次需要时可以更快地获取。...【详细内容】
2024-01-30  编程技术汇    Tags:Java   点击:(72)  评论:(0)  加入收藏
JDK17 与 JDK11 特性差异浅谈
从 JDK11 到 JDK17 ,Java 的发展经历了一系列重要的里程碑。其中最重要的是 JDK17 的发布,这是一个长期支持(LTS)版本,它将获得长期的更新和支持,有助于保持程序的稳定性和可靠性...【详细内容】
2024-01-26  政采云技术  51CTO  Tags:JDK17   点击:(89)  评论:(0)  加入收藏
Java并发编程高阶技术
随着计算机硬件的发展,多核处理器的普及和内存容量的增加,利用多线程实现异步并发成为提升程序性能的重要途径。在Java中,多线程的使用能够更好地发挥硬件资源,提高程序的响应...【详细内容】
2024-01-19  大雷家吃饭    Tags:Java   点击:(106)  评论:(0)  加入收藏
这篇文章彻底让你了解Java与RPA
前段时间更新系统的时候,发现多了一个名为Power Automate的应用,打开了解后发现是一个自动化应用,根据其描述,可以自动执行所有日常任务,说的还是比较夸张,简单用了下,对于office、...【详细内容】
2024-01-17  Java技术指北  微信公众号  Tags:Java   点击:(97)  评论:(0)  加入收藏
Java 在 2023 年仍然流行的 25 个原因
译者 | 刘汪洋审校 | 重楼学习 Java 的过程中,我意识到在 90 年代末 OOP 正值鼎盛时期,Java 作为能够真正实现这些概念的语言显得尤为突出(尽管我此前学过 C++,但相比 Java 影响...【详细内容】
2024-01-10  刘汪洋  51CTO  Tags:Java   点击:(75)  评论:(0)  加入收藏
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