java并发之线程间通信协作

　　在前面我们将了很多关于同步的问题，然而在现实中，需要线程之间的协作。比如说最经典的生产者-消费者模型：当队列满时，生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品，而在等待的期间内，生产者必须释放对临界资源（即队列）的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权，那么消费者就无法消费队列中的商品，就不会让队列有空间，那么生产者就会一直无限等待下去。因此，一般情况下，当队列满时，会让生产者交出对临界资源的占用权，并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品，然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地，当队列空时，消费者也必须等待，等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

　　Java中线程通信协作的最常见的两种方式：

　　一.syncrhoized加锁的线程的Object类的wait()/notify()/notifyAll()

　　二.ReentrantLock类加锁的线程的Condition类的await()/signal()/signalAll()

　　线程间直接的数据交换：

　　三.通过管道进行线程间通信：1）字节流；2）字符流  　

一.syncrhoized加锁的线程的Object类的wait()/notify()/notifyAll()

wait()、notify()和notifyAll()是Object类中的方法：

/**
 * Wakes up a single thread that is waiting on this object's
 * monitor. If any threads are waiting on this object, one of them
 * is chosen to be awakened. The choice is arbitrary and occurs at
 * the discretion of the implementation. A thread waits on an object's
 * monitor by calling one of the wait methods
 */
public final native void notify();
 
/**
 * Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. A
 * thread waits on an object's monitor by calling one of the
 * wait methods.
 */
public final native void notifyAll();
 
/**
 * Causes the current thread to wait until either another thread invokes the
 * {@link java.lang.Object#notify()} method or the
 * {@link java.lang.Object#notifyAll()} method for this object, or a
 * specified amount of time has elapsed.
 * <p>
 * The current thread must own this object's monitor.
 */
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

从这三个方法的文字描述可以知道以下几点信息：

　　1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且为final方法，无法被重写。

　　2）调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的monitor（即锁）

　　3）调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的monitor，则只能唤醒其中一个线程；

　　4）调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程；

　　有朋友可能会有疑问：为何这三个不是Thread类声明中的方法，而是Object类中声明的方法（当然由于Thread类继承了Object类，所以Thread也可以调用者三个方法）？其实这个问题很简单，由于每个对象都拥有monitor（即锁），所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作了。而不是用当前线程来操作，因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。

　　上面已经提到，如果调用某个对象的wait()方法，当前线程必须拥有这个对象的monitor（即锁），因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。如果当前线程没有这个对象的锁就调用wait（）方法，则会抛出IllegalMonitorStateException.

　　 调用某个对象的wait()方法，相当于让当前线程交出（释放）此对象的monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁（Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间，从而让其他线程有机会继续执行，但它并不释放对象锁）；　　

　　notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程，当有多个线程都在等待该对象的monitor的话，则只能唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程则不得而知。 同样地，调用某个对象的notify()方法，当前线程也必须拥有这个对象的monitor，因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

　　nofityAll()方法能够唤醒所有正在等待该对象的monitor的线程，这一点与notify()方法是不同的。

　　这里要注意一点：notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程，并不决定哪个线程能够获取到monitor。

 　　举个简单的例子：假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor，此时Thread4拥有对象objectA的monitor，当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。注意，被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法，则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒，至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

　　上面尤其要注意一点，一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor，只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块，释放对象锁后，其余线程才可获得锁执行。

 一个生产者一个消费者

一个对象，作为锁（利用该对象的monitor）

package com.jp.oneone;

public class ValueObject {

    public static String value = "";

}

生产者：

package com.jp.oneone;

//生产者
public class P extends Thread{

    private String lock;

    public P(String lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                synchronized (lock) { //当前线程必须获得锁才可以进行下面的操作
                    if (!ValueObject.value.equals("")) {//如果Value不为空，说明字符串还没被消费，所以调用wait方法，把当前线程（生成线程）阻塞
                        lock.wait();
                    }
                    String value = System.currentTimeMillis() + "_"
                            + System.nanoTime();
                    System.out.println("set的值是" + value);
                    ValueObject.value = value;//为空的话，则生成
                    lock.notify();//生成完就唤醒等待该对象锁的线程，（这里只有一个消费者等这个锁，所以就是唤醒的它）
                }

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

消费者：

package com.jp.oneone;

//消费者
public class C extends Thread {

    private String lock;

    public C(String lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                synchronized (lock) {
                    if (ValueObject.value.equals("")) {//如果字符串为空，即被消费完了，所以wait等待。
                        lock.wait();
                    }
                    System.out.println("get的值是" + ValueObject.value);
                    ValueObject.value = "";
                    lock.notify();
                }

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

测试：

package com.jp.oneone;

public class Run {

    public static void main(String[] args) {

        String lock = new String("");
        P p = new P(lock);
        C r = new C(lock);

        p.start();
        r.start();
    }

}

运行结果

本例是1个生产者1个消费者进行数据的交互。

 多个生产者多个消费者

实现和上面1对1基本一样，只是在测试代码中，多new几个生产者，几个消费者。

只需注意一个问题：假死

问题描述：所有线程都被wait，这个项目就停止运行了。

问题原因：代码中使用wait/notify进行通信，不能保证notify唤醒的是异类（生产者唤醒消费者还是生产者），比如生产者唤醒生产者，消费者唤醒消费者，就可能导致都在等待的状态。

问题解决：其实很简单，就是唤醒的时候同类异类都唤醒，把notify()改为natifyAll()就解决了。

二.ReentrantLock类加锁的线程的Condition类的await()/signal()/signalAll()

　　Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

• Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
• Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition() 
•  调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用

　　Conditon中的await()对应Object的wait()；

　　Condition中的signal()对应Object的notify()；

　　Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

 一个生产者一个消费者

 这个例子用了《Java多线程编程核心技术》中的方式，把生产者和消费者的方法写到一个类中，与生成线程和消费线程分开，感觉更高大上，当然上面的例子也可以写成这种方式。

含有生成者消费者的类

package oneone;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MyService {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//拿到可重入锁，相当于synchronized的作用
    private Condition condition = lock.newCondition();//调用await和signal方法的对象，相当于Object对象（任意对象）的的wait和notify方法
    private boolean hasValue = false;

    //生产者
    public void set() {
        try {
            lock.lock();//获得锁
            while (hasValue == true) {
                condition.await(); //没被消费则阻塞该生产线程，当然也释放了锁，进入等锁的队列
            }
            System.out.println("打印★");
            hasValue = true;
            condition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    //消费者
    public void get() {
        try {
            lock.lock();
            while (hasValue == false) {
                condition.await();
            }
            System.out.println("打印☆");
            hasValue = false;
            condition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

对应生成者的线程类

package oneone;

public class MyThreadA extends Thread {

    private MyService myService;

    public MyThreadA(MyService myService) {
        super();
        this.myService = myService;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            myService.set();
        }
    }

}

对应消费者的线程类

package oneone;


public class MyThreadB extends Thread {

    private MyService myService;

    public MyThreadB(MyService myService) {
        super();
        this.myService = myService;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            myService.get();
        }
    }

}

测试类

package oneone;

public class Run {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyService myService = new MyService();

        MyThreadA a = new MyThreadA(myService);
        a.start();

        MyThreadB b = new MyThreadB(myService);
        b.start();

    }
}

运行结果

 三.通过管道进行线程间通信：1）字节流；2）字符流

 Java中有各种各样的输入、输出流（Stream）,其中管道流（pipeStream）是一种特殊的流，用于在不同线程间直接传送数据。

 一个线程发送数据到输出管道，另一个线程从输入管道读数据。

以字节流举例：

写数据的类，把数据写入管道输出流

package pipeInputOutput;

import java.io.IOException;
import java.io.PipedOutputStream;

public class WriteData {

    public void writeMethod(PipedOutputStream out) {
        try {
            System.out.println("write :");
            for (int i = 0; i < 300; i++) {
                String outData = "" + (i + 1);
                out.write(outData.getBytes());
                System.out.print(outData);
            }
            System.out.println();
            out.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

读数据的类，从管道输入流读数据

package pipeInputOutput;

import java.io.IOException;
import java.io.PipedInputStream;

public class ReadData {

    public void readMethod(PipedInputStream input) {
        try {
            System.out.println("read  :");
            byte[] byteArray = new byte[20];
            int readLength = input.read(byteArray);
            while (readLength != -1) {
                String newData = new String(byteArray, 0, readLength);
                System.out.print(newData);
                readLength = input.read(byteArray);
            }
            System.out.println();
            input.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

写数据的线程类

package pipeInputOutput;

import java.io.PipedOutputStream;

public class ThreadWrite extends Thread {

    private WriteData write;
    private PipedOutputStream out;

    public ThreadWrite(WriteData write, PipedOutputStream out) {
        super();
        this.write = write;
        this.out = out;
    }

    @Override
    public void run() {
        write.writeMethod(out);
    }

}

读数据的线程类

package pipeInputOutput;

import java.io.PipedInputStream;

public class ThreadRead extends Thread {

    private ReadData read;
    private PipedInputStream input;

    public ThreadRead(ReadData read, PipedInputStream input) {
        super();
        this.read = read;
        this.input = input;
    }

    @Override
    public void run() {
        read.readMethod(input);
    }
}

测试类：

package pipeInputOutput;

import java.io.IOException;
import java.io.PipedInputStream;
import java.io.PipedOutputStream;

public class Run {

    public static void main(String[] args) {

        try {
            WriteData writeData = new WriteData();
            ReadData readData = new ReadData();

            PipedInputStream inputStream = new PipedInputStream();
            PipedOutputStream outputStream = new PipedOutputStream();

            //将两个Stream之间产生通信链接，这样才能将数据进行输入输出,下面两种方式都可以，其一即可
            //inputStream.connect(outputStream);
            outputStream.connect(inputStream);

            //开启读线程
            ThreadRead threadRead = new ThreadRead(readData, inputStream);
            threadRead.start();

            Thread.sleep(2000);

            //开启写线程
            ThreadWrite threadWrite = new ThreadWrite(writeData, outputStream);
            threadWrite.start();

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

运行结果

read  :
write :
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300

《Java多线程编程核心技术》

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920385.html