Java線程面試題之線程間的通信方式

一，介紹

本總結我對于JAVA多線程中線程之間的通信方式的理解，主要以代碼結合文字的方式來討論線程間的通信，故摘抄了書中的一些示例代碼。
 
二，線程間的通信方式

①同步

這里講的同步是指多個線程通過synchronized關鍵字這種方式來實現線程間的通信。

參考示例：

public class MyObject {

    synchronized public void methodA() {
        //do something....
    }

    synchronized public void methodB() {
        //do some other thing
    }
}

public class ThreadA extends Thread {

    private MyObject object;
//省略構造方法
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        object.methodA();
    }
}

public class ThreadB extends Thread {

    private MyObject object;
//省略構造方法
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        object.methodB();
    }
}

public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        MyObject object = new MyObject();

        //線程A與線程B 持有的是同一個對象:object
        ThreadA a = new ThreadA(object);
        ThreadB b = new ThreadB(object);
        a.start();
        b.start();
    }
}

由于線程A和線程B持有同一個MyObject類的對象object，盡管這兩個線程需要調用不同的方法，但是它們是同步執行的，比如：線程B需要等待線程A執行完了methodA()方法之后，它才能執行methodB()方法。這樣，線程A和線程B就實現了 通信。

這種方式，本質上就是“共享內存”式的通信。多個線程需要訪問同一個共享變量，誰拿到了鎖（獲得了訪問權限），誰就可以執行。

②while輪詢的方式

代碼如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MyList {

    private List list = new ArrayList();
    public void add() {
        list.add("elements");
    }
    public int size() {
        return list.size();
    }
}

import mylist.MyList;

public class ThreadA extends Thread {

    private MyList list;

    public ThreadA(MyList list) {
        super();
        this.list = list;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                list.add();
                System.out.println("添加了" + (i + 1) + "個元素");
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

import mylist.MyList;

public class ThreadB extends Thread {

    private MyList list;

    public ThreadB(MyList list) {
        super();
        this.list = list;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                if (list.size() == 5) {
                    System.out.println("==5, 線程b準備退出了");
                    throw new InterruptedException();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

import mylist.MyList;
import extthread.ThreadA;
import extthread.ThreadB;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        MyList service = new MyList();

        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");
        a.start();

        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");
        b.start();
    }
}

在這種方式下，線程A不斷地改變條件，線程ThreadB不停地通過while語句檢測這個條件(list.size()==5)是否成立 ，從而實現了線程間的通信。但是這種方式會浪費CPU資源。之所以說它浪費資源，是因為JVM調度器將CPU交給線程B執行時，它沒做啥“有用”的工作，只是在不斷地測試 某個條件是否成立。就類似于現實生活中，某個人一直看著手機屏幕是否有電話來了，而不是： 在干別的事情，當有電話來時，響鈴通知TA電話來了。關于線程的輪詢的影響，可參考：JAVA多線程之當一個線程在執行死循環時會影響另外一個線程嗎？

這種方式還存在另外一個問題：

輪詢的條件的可見性問題，關于內存可見性問題，可參考：JAVA多線程之volatile 與 synchronized 的比較中的第一點“一，volatile關鍵字的可見性”

線程都是先把變量讀取到本地線程棧空間，然后再去再去修改的本地變量。因此，如果線程B每次都在取本地的 條件變量，那么盡管另外一個線程已經改變了輪詢的條件，它也察覺不到，這樣也會造成死循環。

③wait/notify機制

代碼如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MyList {

    private static List list = new ArrayList();

    public static void add() {
        list.add("anyString");
    }

    public static int size() {
        return list.size();
    }
}


public class ThreadA extends Thread {

    private Object lock;

    public ThreadA(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            synchronized (lock) {
                if (MyList.size() != 5) {
                    System.out.println("wait begin "
                            + System.currentTimeMillis());
                    lock.wait();
                    System.out.println("wait end  "
                            + System.currentTimeMillis());
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}


public class ThreadB extends Thread {
    private Object lock;

    public ThreadB(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            synchronized (lock) {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    MyList.add();
                    if (MyList.size() == 5) {
                        lock.notify();
                        System.out.println("已經發出了通知");
                    }
                    System.out.println("添加了" + (i + 1) + "個元素!");
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Run {

    public static void main(String[] args) {

        try {
            Object lock = new Object();

            ThreadA a = new ThreadA(lock);
            a.start();

            Thread.sleep(50);

            ThreadB b = new ThreadB(lock);
            b.start();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

線程A要等待某個條件滿足時(list.size()==5)，才執行操作。線程B則向list中添加元素，改變list 的size。

A,B之間如何通信的呢？也就是說，線程A如何知道 list.size() 已經為5了呢？

這里用到了Object類的 wait() 和 notify() 方法。

當條件未滿足時(list.size() !=5)，線程A調用wait() 放棄CPU，并進入阻塞狀態。---不像②while輪詢那樣占用CPU

當條件滿足時，線程B調用 notify()通知 線程A，所謂通知線程A，就是喚醒線程A，并讓它進入可運行狀態。

這種方式的一個好處就是CPU的利用率提高了。

但是也有一些缺點：比如，線程B先執行，一下子添加了5個元素并調用了notify()發送了通知，而此時線程A還執行；當線程A執行并調用wait()時，那它永遠就不可能被喚醒了。因為，線程B已經發了通知了，以后不再發通知了。這說明：通知過早，會打亂程序的執行邏輯。

④管道通信就是使用java.io.PipedInputStream 和java.io.PipedOutputStream進行通信

具體就不介紹了。分布式系統中說的兩種通信機制：共享內存機制和消息通信機制。感覺前面的①中的synchronized關鍵字和②中的while輪詢 “屬于” 共享內存機制，由于是輪詢的條件使用了volatile關鍵字修飾時，這就表示它們通過判斷這個“共享的條件變量“是否改變了，來實現進程間的交流。

而管道通信，更像消息傳遞機制，也就是說：通過管道，將一個線程中的消息發送給另一個。