一直搞不懂Java线程通信,这次终于明白了(1)
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
相关阅读:
- 真实案例对“引用类型”的思考,你学会了吗? (liqianqian1116, 2023-3-30)
- Python数据可视化之matplotlib精进 (liqianqian1116, 2023-4-07)
- Java正则表达式的使用 (liqianqian1116, 2023-4-14)
- 轻松完成异步任务,一文搞懂Python Celery (liqianqian1116, 2023-4-03)
- 跟我学编程:Java 虚拟机之指令重排序 (liqianqian1116, 2023-3-31)
- 让Python代码飞起来,高手必用十个VSCode插件 (liqianqian1116, 2023-4-04)
标题搜索
我的存档
数据统计
- 访问量: 249277
- 日志数: 949
- 建立时间: 2020-08-11
- 更新时间: 2024-04-19