Java 多线程 之 线程通信

一、线程间通信

　　概念：多个线程在处理同一资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。

　　例如：使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印，怎么实现呢？

　　为什么要处理线程间通信：

　　　　多个线程并发执行，在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成同一件任务，并且希望它们有规律的执行，那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

　　如何保证线程间通信有效利用资源：

　　　　多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。

　　　　即多个线程在操作同一份数据时，避免对统一共享变量的争夺。

　　　　这时需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源，这种手段称为——等待唤醒机制。

　　

二、案例一：使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印

　　示例：

public class CommunicationTest {

    public static void main(String[] args) {
        Number number = new Number();

        Thread t1 = new Thread(number, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(number, "线程2");

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

class Number implements Runnable {

    private int number = 1;
    private Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {

                notify();

                if (number <= 100) {

                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":-:" + number);
                    number++;

                    try {
                        wait();  //使得调用如下wait()方法的线程进入阻塞状态
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

　　运行结果可以看到线程1和线程2是相互交替打印出来的，此时这里的同步监视器是 this，即此类的对象。

　　如果我们把锁对象换成了上面 声明的 Object 对象，这时也要用 obj 对象来调用 wait() 与 notify() 方法。否则将会出现下面的异常：

　　示例：

public class CommunicationTest {

    public static void main(String[] args) {
        Number number = new Number();

        Thread t1 = new Thread(number, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(number, "线程2");

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

class Number implements Runnable {

    private int number = 1;
    private Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (obj) {

                obj.notify();

                if (number <= 100) {

                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":-:" + number);
                    number++;

                    try {
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

三、等待唤醒机制

　　1、什么是等待唤醒机制

　　　　这是多个线程间的一种协作机制。线程之间常见的就是线程间的竞争（race），但是线程之间也会有协作机制。好比同一公司员工，存在晋升的时候，也有合作的时候。

　　　　当一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait），等待其他线程执行完他们的指定代码后，再将其唤醒（notify）；在有多个线程进行等待时，如果需要，使用 notifyAll() 来唤醒所有的等待线程。

　　　　wait / notify 就是线程间的一种协作机制。

　　2、等待唤醒机制中常用方法

　　　　等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题，常用方法如下：

　　　　（1）wait

　　　　　　① 一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。

　　　　　　② 线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 waiting。该线程要等着别的线程执行一个特别的动作，即 “通知（notify）” 在这个对象上等待的线程从 wait set 中释放出来，重写进入到调度队列（ready queue）中。

　　　　　　③ 调用方法的必要条件：当前线程必须具有对该对象的监控权（加锁）

　　　　　　④ 调用此方法后，当前线程将释放对象监控权 ，然后进入等待；

　　　　　　⑤ 在当前线程被notify后，要重新获得监控权，然后从断点处继续代码的执行。

　　　　（2）notify

　　　　　　一旦执行此方法，就会唤醒被 wait 的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的那个。

　　　　　　则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如：餐馆有空位置后，等待就餐最久的顾客先入座。

　　　　　　调用方法的必要条件：当前线程必须具有对该对象的监控权（加锁）

　　　　（3）notifyAll

　　　　　　一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。

　　　　　　调用方法的必要条件：当前线程必须具有对该对象的监控权（加锁）

　　　　  注意：

　　　　　　哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不支持有锁，所有它需要再次尝试去获取锁（很可能面临其他线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

　　　　 小节：

　　　　　　① 如果能获取锁，线程就从 waiting 状态变成 Runnable 状态；

　　　　　　② 没有获取锁，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 waiting 状态又变成 blocked 状态。

　　3、等待唤醒机制需要注意的细节

　　　　（1）wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器。

　　　　　　　　原因：对应的锁对象可以通过 notify 唤醒使用同一个锁对象调用的 wait 方法后的线程，否则，会出现IllegalMonitorStateException异常。

　　　　（2）wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中。

　　　　　　　　原因：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承 Object 类的。

　　　　（3）wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。

　　　　　　　　原因：必须要通过锁对象调用这两个方法。

　　4、面试题：sleep() 和 wait() 的异同？

　　　　相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。

　　　　不同点：① 两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep() , Object类中声明wait()；

　　　　　　　　② 调用的要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用。 wait()必须使用在同步代码块或同步方法中；

　　　　　　　　③ 关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁；

　　　　　　　　④ wait() 必须有“锁，监视器”对象来调用，如果由别的对象调用会报IllegleMoniterStateException；

　　　　　　　　　 sleep()是静态方法，Thread类名调用就可以；

　　　　　　　　⑤ wait()使得当前线程进入阻塞状态后，由notify唤醒；sleep()使得当前线程进入阻塞状态后，时间到或被interrupt()醒来。

四、案例二

　　1、生产者/消费者问题：

　　　　生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

　　2、这里可能出现两个问题

　　　　① 生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到；

　　　　② 消费者比生产者快时，消费者会取到相同的数据。

　　3、代码实现：

public class ProductTest {
    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();

        Producer p1 = new Producer(clerk);
        p1.setName("生产者1");

        Consumer c1 = new Consumer(clerk);
        c1.setName("消费者1");
        Consumer c2 = new Consumer(clerk);
        c2.setName("消费者2");

        p1.start();
        c1.start();
        c2.start();

    }
}

//店员
class Clerk {
    private int productCount = 0;


    /**
     * 生产产品
     */
    public synchronized void produceProduct() {
        if (productCount < 20) {
            productCount++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始生产第" + productCount + "个产品");

            notify();

        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 消费产品
     */
    public synchronized void consumeProduct() {

        if (productCount > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始消费第" + productCount + "个产品");
            productCount--;

            notify();

        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}


//生产者
class Producer extends Thread {

    private Clerk clerk;

    public Producer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + ":开始生产产品.....");

        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.produceProduct();
        }
    }
}

//消费者
class Consumer extends Thread {
    private Clerk clerk;

    public Consumer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + ":开始消费产品.....");

        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.consumeProduct();
        }
    }
}

五、案例三

　　1、拿生产包子消费包子来描述等待唤醒机制如何有效利用资源

　　　　包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。
接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

　　　　线程 A 用来生成包子的，线程 B 用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程 A 与线程 B 处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程 A 与线程 B 之间就存在线程通信问题。

                   

　　2、代码示例

public class BaoziTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建包子对象;
        Baozi bz =new Baozi();
        //创建包子铺线程,开启,生产包子;
        new BaoziPu(bz).start();
        //创建吃货线程,开启,吃包子;
        new ChiHuo(bz).start();
    }
}

class Baozi {
    String pi;
    String xian;
    //包子的状态:有 true，没有 false，设置初始值 false没有包子
    boolean flag = false;
}

class BaoziPu extends Thread {
    //1. 需要在成员位置创建一个包子变量
    private Baozi bz;

    //2. 使用参数构造方法，为这个包子变量赋值
    public BaoziPu(Baozi bz) {
        this.bz = bz;
    }

    //设置线程任务（run）：生产包子
    @Override
    public void run() {
        //定义一个变量
        int count = 0;
        //让包子铺一直生产包子
        while (true) {
            //必须同时同步技术保证两个线程只能有一个正执行
            synchronized (bz) {
                //对包子的状态进行判断
                if (bz.flag == true) {
                    //包子铺调用 wait 方法进入等待状态
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //被唤醒之后执行，包子铺生产包子
                //增加一些趣味性:交替生产两种包子
                if (count % 2 == 0) {
                    //生产 薄皮三鲜馅包子
                    bz.pi = "薄皮";
                    bz.xian = "三鲜馅";
                } else {
                    //生产 冰皮 牛肉大葱陷
                    bz.pi = "冰皮";
                    bz.xian = "牛肉大葱陷";
                }

                count++;
                System.out.println("包子铺正在生产:" + bz.pi + bz.xian + "包子");
                //生产包子需要3秒钟
                try {
                    Thread.sleep(300);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                //包子铺生产好了包子
                //修改包子的状态为true有
                bz.flag = true;
                //唤醒消费者线程,让顾客线程吃包子
                bz.notify();
                System.out.println("包子铺已经生产好了:"+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开始吃了");
            }
        }
    }
}

/**
 * 消费者
 */
class ChiHuo extends Thread {
    //1.需要在成员位置创建一个包子变量
    private Baozi bz;

    //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
    public ChiHuo(Baozi bz) {
        this.bz = bz;
    }

    //设置线程任务(run):吃包子
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让吃货一直吃包子
        while (true) {
            //必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
            synchronized (bz){
                //对包子的状态进行判断
                if(bz.flag==false){
                    //吃货调用wait方法进入等待状态
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //被唤醒之后执行的代码,吃包子
                System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pi+bz.xian+"的包子");
                //吃货吃完包子
                //修改包子的状态为false没有
                bz.flag = false;
                //吃货唤醒包子铺线程,生产包子
                bz.notify();
                System.out.println("吃货已经把:"+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了,包子铺开始生产包子");
                System.out.println("----------------------------------------------------");
            }
        }
    }
}