java如何实现线程之间的通信

本文涉及到的知识点：
1.thread.join()
2.object.wait()
3.object.notify()
4.CountdownLatch
5.CyclicBarrier
6.FutureTask
7.Callable

下面我们从几个例子来记录下，java里有哪些方法实现线程通信
1.如何让两个线程依次执行
2.如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行
3.四个线程 A B C D，其中D要等到ABC全执行完毕菜执行，而且 ABC是同步运行
4.三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
5.子线程完成某件事，把得到的结果返回给主线程

1.如何让两个线程依次执行

假设有两个线程，A B，两个线程同时一次打印 1 2 3，看代码 1：

  //实现打印功能
  public static void printNum(String threadName){
        for (int i = 1; i < 4; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadName + "打印：" + i);
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        Thread A = new Thread(() -> {
           printNum("A");
        });
        Thread B = new Thread(() -> {
            printNum("B");
        });
        A.start();
        B.start();
    }

打印结果：

B打印：1
A打印：1
A打印：2
B打印：2
A打印：3
B打印：3

这里可以看出 AB是同时打印
我们要求A先打印，B再打印，看代码2：


    public static void main(String[] args) {
        Thread A = new Thread(() -> {
           printNum("A");
        });
        Thread B = new Thread(() -> {
            try {
                A.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            printNum("B");
        });
        A.start();
        B.start();
    }

打印结果为：

A打印：1
A打印：2
A打印：3
B打印：1
B打印：2
B打印：3

这里可以看到在B运行的方法中，执行 A.join() ，是等待A执行完成，再运行B

2.如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行

要求 A先打印 A1 进入等待状态接下来B打印 B1 B2 B3 完成之后 A再打印 A2 A3
这里，我们可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下：

   public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        Thread A = new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                System.out.println("A1");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("A2");
                System.out.println("A3");
            }

        });
        Thread B = new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                System.out.println("B1");
                System.out.println("B2");
                System.out.println("B3");
                lock.notify();
            }
        });
        A.start();
        B.start();
    }

打印结果如下：

A1
B1
B2
B3
A2
A3

那么，这个过程发生了什么呢？

首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
当 A 得到锁后，先打印 1，然后调用 lock.wait() 方法，交出锁的控制权，进入 wait 状态；
对 B 而言，由于 A 最开始得到了锁，导致 B 无法执行；直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后， B 才得到了锁；
B 在得到锁后打印 1， 2， 3；然后调用 lock.notify() 方法，唤醒正在 wait 的 A;
A 被唤醒后，继续打印剩下的 2，3。

3.四个线程 A B C D，其中D要等到ABC全执行完毕才执行，而且 ABC是同步运行

最开始我们介绍了thread.join(),可以让一个线程等待另一个线程运行完毕再执行，那么我们可以在D线程依次join A B C ，不过者也就使得A B C 必须依次执行，而我们要求这三个同步运行。
这种情况我们可以使用 CountDownLatch 来实现

创建一个计数器，设置初始值，CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
在等待线程里调用 countDownLatch.await() 方法，进入等待状态，直到计数值变成 0；
在其他线程里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减 1；
当其他线程的 countDown() 方法把计数值变成 0 时，等待线程里的 countDownLatch.await() 立即退出，继续执行下面的代码。

public static void main(String[] args) {
        int count = 3;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(count);

        new Thread(() -> {
            System.out.println("D 等待其它线程运行！");
            try {
                countDownLatch.await();
                System.out.println("其它线程运行完成，D 开始运行！");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        for (char i = 'A'; i < 'D'; i++) {
            String name = String.valueOf(i);
            new Thread(() -> {
                System.out.println(name + "开始运行！！");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(name + "运行完成！！");
                countDownLatch.countDown();
            }).start();
        }
    }

运行结果如下：

D 等待其它线程运行！
C开始运行！！
B开始运行！！
A开始运行！！
C运行完成！！
B运行完成！！
A运行完成！！
其它线程运行完成，D 开始运行！

简单来说，CountDownLatch 就是一个倒计数器，我们初始计数值设置为3，当D运行时，先调用await() 检查计数器值是否为0，若不为0保存等待状态；当ABC各自运行完成，利用countDown() 方法，将倒计数器减1，三个都运行完，计数器被减为0；此时立即出发D的await()运行结果，继续向下执行。因此，CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的情况

4.三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑

上面CountDownLatch 可以用来倒计时，但当计数完毕，只有一个线程的await()会得到相应，无法让多个线程同时触发。
为了实现线程之间相互等待这种需求，我们可以利用CyclicBarrier数据结构，它的基本用法是：

先创建一个公共CyclicBarrier对象，设置同时等待的线程数，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier (3);
这些线程同时开始自己做准备，自身准备完毕，需要等待别人准备完毕，这时调用await()；可开始等待别人
当指定的同时等待的线程数都调用了await()时，意味着这些线程都准备完毕，然后这些线程才同时继续执行
实现代码如下，设想有三名跑步运动员，各自准备好后等待其它人，全部准备好后才开始跑：

public static void main(String[] args) {
        int runner = 3;
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(runner);
        final Random random = new Random();
        for (char i = 'A'; i < 'D'; i++) {
            String name = String.valueOf(i);
            new Thread(() -> {
                int prepareTime = random.nextInt(5000) + 1000;
                System.out.println(name + "准备时间：" + prepareTime);
                try {
                    Thread.sleep(prepareTime);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    System.out.println(name + "准备完成！等待比赛开始！");
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println( name + "开始比赛！！！");
            }).start();
        }
    }

运行结果如下：

A准备时间：5043
B准备时间：2600
C准备时间：4472
B准备完成！等待比赛开始！
C准备完成！等待比赛开始！
A准备完成！等待比赛开始！
A开始比赛！！！
B开始比赛！！！
C开始比赛！！！

5.子线程完成某件事，把得到的结果返回给主线程

实际的开发中，我们经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在 Java 里要如何实现呢？
回顾线程的创建，我们一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义如下：

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

可以看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类 Callable：

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

可以看出 Callable 最大区别就是返回范型 V 结果。

那么下一个问题就是，如何把子线程的结果回传回来呢？在 Java 里，有一个类是配合 Callable 使用的：FutureTask，不过注意，它获取结果的 get 方法会阻塞主线程。

举例，我们想让子线程去计算从 1 加到 100，并把算出的结果返回到主线程。

    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(() -> {
            System.out.println("计算开始执行！!");
            Thread.sleep(1000);
            int num = 0;
            for (int i = 1; i <= 100; i++) {
                num += i;
            }
            System.out.println("计算执行完成！");
            return num;
        });
        new Thread(task).start();
        try {
            System.out.println("调用task.get()之前");
            System.out.println("调用task.get()得到结果：" + task.get());
            System.out.println("调用task.get()之后");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

运行结果如下：

调用task.get()之前
计算开始执行！!
计算执行完成！
调用task.get()得到结果：5050
调用task.get()之后

可以看到，主线程调用 task.get() 方法时阻塞主线程；然后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 task.get() 得到结果，主线程恢复运行。

这里我们可以学到，通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到线程池去管理执行。

小结

多线程是现代语言的共同特性，而线程间通信、线程同步、线程安全是很重要的话题。本文针对 Java 的线程间通信进行了大致的讲解，后续还会对线程同步、线程安全进行讲解。