Java开发笔记（一百零三）线程间的通信方式

迷南。 2022-01-27 04:23 175阅读 0赞

前面介绍了多线程并发之时的资源抢占情况，以及利用同步、加锁、信号量等机制解决资源冲突问题，不过这些机制只适合同一资源的共享分配，并未涉及到某件事由的前因后果。日常生活中，经常存在两个前后关联的事务，像雇员和雇主这两个角色，他们之间的某些工作就带有因果关系。比如要等雇主接到了项目，雇员才有活干；又如每月末员工都等着老板发工资，这样才有钱逛街和吃大餐，此时员工的消费行为便依赖于老板的发薪水动作。如此看来，两个线程之间理应建立某种消息通路，每当线程A完成某个事项，就将完成标志通知线程B，线程B收到通知之后，认为前提条件已经满足，这才进行后续的处理过程。线程之间的消息通路，可视作在线程间传递信息，专业的说法叫做“通信”，如何在多线程并发时进行有效通信，这是多线程技术中的一大课题。  
依据线程并发时的不同管理机制，线程间的通信也各有不同的方式，接下来将分别论述同步机制与加锁机制之下的两种线程通信过程。  
首先是同步机制，采用同步代码块的话，需要在关键字synchronized后面补充待同步的对象实例，之前的同步代码块统一写成“synchronized (this)”。可是圆括号内部一定要填this吗？圆括号的内部参数究竟是干什么用的？其实synchronized附带的圆括号参数正是在线程间通信的邮差，以前的同步演示代码由于没进行线程通信，因此圆括号里的参数没有具体要求，一般填this即可。现在要想在线程间进行通信，就必须启用圆括号参数了，并且两个线程都要在synchronized后面填写该参数对象。  
举个例子，雇员等着雇主发工资，那员工怎样才知道老板已经发了呢？要是由员工自己一会儿一会儿去查银行卡，平时的工作都会受到影响，所以可让员工留个等工资的心眼就好。然后老板一个一个发工资，发完之后给员工递个工资条，或者给员工发封工资邮件，这样员工收到工资条便知薪水到账了。那么在等工资和发工资这两个线程之间，即可令工资条作为二者的信使，于是同步代码块可改写为“synchronized (工资条对象)”的形式。同时工资条对象还要支持等待与发放两个动作，因为这类动作早就隐藏在Object类的基本方法中，所以开发者不必担心工资条对象该为Integer类型还是别的什么类型，凡是正常的实例都拥有等待与发放的方法，具体的方法说明如下：  
wait：等待通知。  
notify：在等待队列中随机挑选一个线程发放通知。  
notifyAll：向等待队列中的所有线程发放通知。  
在编码实现同步机制的通信过程时，先分别创建雇员和雇主的工作任务，其中雇员任务在同步代码块中调用工资条对象的wait方法，表示等着发工资；而雇主任务在同步代码块中调用工资条对象的notify方法，表示发完工资了。然后依次启动员工线程和老板线程，员工线程负责等工资以及收到工资后的消费行为，老板线程负责发工资以及记账操作。据此编写的同步线程通信代码示例如下：

// 员工与老板之间通过工资条通信
    private static Integer salary = 5000;
    
    // 测试通过wait和notify方法进行线程间通信
    private static void testWaitNotify() {
    	// 创建雇员的工作任务
    	Runnable employee = new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "等着发工资。");
    			synchronized (salary) { // 工资是我的，你们别抢
    				try {
    					salary.wait(); // 等待发工资
    					// 打印拿到工资后的庆祝日志
    					PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "今晚赶紧吃大餐。");
    				} catch (InterruptedException e) { // 等待期间允许接收中断信号
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    		}
    	};
    	// 创建雇主的工作任务
    	Runnable boss = new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			// 稍等一会儿，老板线程的同步代码块务必在员工线程的同步代码块之后开始运行，否则员工线程将一直等待
    			wait_a_moment();
    			PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "开始发工资。");
    			synchronized (salary) { // 由我发工资，你们别闹
    				wait_a_moment(); // 银行转账也需要时间
    				salary.notify(); // 随机通知其中一个等待线程
    				// 手好酸，发工资也是个体力活，记个账
    				PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "发完工资了。");
    			}
    		}
    	};
    	new Thread(employee, "同步机制的员工").start(); // 启动员工等工资的线程
    	new Thread(boss, "同步机制的老板").start(); // 启动老板发工资的线程
    }
    
    // 稍等一会儿，模拟日常事务的时间消耗
    private static void wait_a_moment() {
    	int delay = new Random().nextInt(500); // 生成500以内的随机整数
    	try {
    		Thread.sleep(delay); // 睡眠若干毫秒
    	} catch (InterruptedException e) {
    	}
    }

运行上面的线程通信代码，打印出以下的线程日志：

14:37:29.685 同步机制的员工 等着发工资。
    14:37:29.994 同步机制的老板 开始发工资。
    14:37:30.120 同步机制的老板 发完工资了。
    14:37:30.120 同步机制的员工 今晚赶紧吃大餐。

从日志可见，员工线程果然在等到工资之后才去吃大餐。

同步机制能够通过wait/notify完成线程通信功能，那么加锁机制又该如何进行线程间通信呢？既然加锁机制设计了专门的锁工具，那么锁钥内外的线程也只能通过锁工具来通信，信使则为调用锁对象的newCondition方法返回的Condition条件对象。条件对象同样拥有等待与发放的方法，且与Object类的三个方法一一对应，具体说明如下：  
await：等待通知。  
signal：在等待队列中随机挑选一个线程发放通知。  
signalAll：向等待队列中的所有线程发放通知。  
以可重入锁ReentrantLock为例，依然要先分别创建雇员和雇主的工作任务，其中雇员任务在加锁之后再调用条件对象的await方法，表示等着发工资；而雇主任务在加锁之后再调用条件对象的signal方法，表示发完工资了；另外雇员任务和雇主任务均需在结束之前进行解锁。然后依次启动员工线程和老板线程，员工线程负责等工资以及收到工资后的消费行为，老板线程负责发工资以及记账操作。下面是在加解锁线程之间进行通信的代码例子：

// 创建一个可重入锁
    private final static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    // 获取可重入锁的条件对象
    private static Condition condition = reentrantLock.newCondition();
    
    // 测试通过Condition对象进行线程间通信
    private static void testCondition() {
    	// 创建雇员的工作任务
    	Runnable employee = new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "等着发工资。");
    			reentrantLock.lock(); // 对可重入锁加锁
    			try {
    				condition.await(); // 这里在等待条件对象的信号
    				// 打印拿到工资后的庆祝日志
    				PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "今晚赶紧吃大餐。");
    			} catch (InterruptedException e) { // 等待期间允许接收中断信号
    				e.printStackTrace();
    			}
    			reentrantLock.unlock(); // 对可重入锁解锁
    		}
    	};
    	// 创建雇主的工作任务
    	Runnable boss = new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			// 稍等一会儿，老板线程的加锁务必在员工线程的加锁之后执行，否则员工线程将一直等待
    			wait_a_moment();
    			PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "开始发工资。");
    			reentrantLock.lock(); // 对可重入锁加锁
    			wait_a_moment(); // 银行转账也需要时间
    			condition.signal(); // 给条件对象发送信号
    			// 手好酸，发工资也是个体力活，记个账
    			PrintUtils.print(Thread.currentThread().getName(), "发完工资了。");
    			reentrantLock.unlock(); // 对可重入锁解锁
    		}
    	};
    	new Thread(employee, "加锁机制的员工").start(); // 启动员工等工资的线程
    	new Thread(boss, "加锁机制的老板").start(); // 启动老板发工资的线程
    }

运行上述的线程通信代码，打印出如下的线程日志：

14:57:07.794 加锁机制的员工 等着发工资。
    14:57:07.801 加锁机制的老板 开始发工资。
    14:57:07.905 加锁机制的老板 发完工资了。
    14:57:07.906 加锁机制的员工 今晚赶紧吃大餐。

可见加锁机制同样实现了线程间通信的功能。

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