作者：wingjay
来源：http://wingjay.com
正常情况下，每个子线程完成各自的任务就可以结束了。不过有的时候，我们希望多个线程协同工作来完成某个任务，这时就涉及到了线程间通信了。
本文涉及到的知识点：
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thread.join(),
-
object.wait(),
-
object.notify(),
-
CountdownLatch,
-
CyclicBarrier,
-
FutureTask,
-
Callable 。
本文涉及代码：
https://github.com/wingjay/HelloJava/blob/master/multi-thread/src/ForArticle.java
下面我从几个例子作为切入点来讲解下 Java 里有哪些方法来实现线程间通信。
-
如何让两个线程依次执行？
-
那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
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四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的
-
三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
-
子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程
如何让两个线程依次执行？
假设有两个线程，一个是线程 A，另一个是线程 B，两个线程分别依次打印 1-3 三个数字即可。我们来看下代码：
private
static
void
demo1
()
{
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run
()
{
printNumber(
"A"
);
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@Override
public
void
run
()
{
printNumber(
"B"
);
}
});
A.start();
B.start();
}
其中的 printNumber(String) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：
private
static
void
printNumber
(
String threadName
)
{
int
i=
0
;
while
(i++ 3) {
try
{
Thread.sleep(
100
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.
out
.println(threadName +
" print: "
+ i);
}
}
这时我们得到的结果是：
B print: 1
A print: 1
B print: 2
A print: 2
B print: 3
A print: 3
可以看到 A 和 B 是同时打印的。
那么，如果我们希望 B 在 A 全部打印 完后再开始打印呢？我们可以利用 thread.join() 方法，代码如下:
private
static
void
demo2
(
)
{
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
printNumber(
"A"
);
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
System.
out
.println(
"B 开始等待 A"
);
try
{
A.
join
();
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
printNumber(
"B"
);
}
});
B.start();
A.start();
}
得到的结果如下：
B 开始等待 A
A print: 1
A print: 2
A print: 3
B print: 1
B print: 2
B print: 3
所以我们能看到 A.join() 方法会让 B 一直等待直到 A 运行完毕。
那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
还是上面那个例子，我现在希望 A 在打印完 1 后，再让 B 打印 1, 2, 3，最后再回到 A 继续打印 2, 3。这种需求下，显然 Thread.join() 已经不能满足了。我们需要更细粒度的锁来控制执行顺序。
这里，我们可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下：
private
static
void
demo3
(
)
{
Object
lock
=
new
Object();
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
synchronized (
lock
) {
System.
out
.println(
"A 1"
);
try
{
lock
.wait();
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.
out
.println(
"A 2"
);
System.
out
.println(
"A 3"
);
}
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
synchronized (
lock
) {
System.
out
.println(
"B 1"
);
System.
out
.println(
"B 2"
);
System.
out
.println(
"B 3"
);
lock
.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
打印结果如下：
A 1
A waiting…
B 1
B 2
B 3
A 2
A 3
正是我们要的结果。
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。
为了更好理解，我在上面的代码里加上 log 方便读者查看。
private
static
void
demo3
(
)
{
Object
lock
=
new
Object();
Thread A =
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
System.
out
.println(
"INFO: A 等待锁 "
);
synchronized (
lock
) {
System.
out
.println(
"INFO: A 得到了锁 lock"
);
System.
out
.println(
"A 1"
);
try
{
System.
out
.println(
"INFO: A 准备进入等待状态，放弃锁 lock 的控制权 "
);
lock
.wait();
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.
out
.println(
"INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock"
);
System.
out
.println(
"A 2"
);
System.
out
.println(
"A 3"
);
}
}
});
Thread B =
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
System.
out
.println(
"INFO: B 等待锁 "
);
synchronized (
lock
) {
System.
out
.println(
"INFO: B 得到了锁 lock"
);
System.
out
.println(
"B 1"
);
System.
out
.println(
"B 2"
);
System.
out
.println(
"B 3"
);
System.
out
.println(
"INFO: B 打印完毕，调用 notify 方法 "
);
lock
.notify();
}
}
});
A.start();
B.start();
}
打印结果如下:
INFO: A 等待锁
INFO: A 得到了锁 lock
A 1
INFO: A 准备进入等待状态，调用 lock.wait() 放弃锁 lock 的控制权
INFO: B 等待锁
INFO: B 得到了锁 lock
B 1
B 2
B 3
INFO: B 打印完毕，调用 lock.notify() 方法
INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock
A 2
A 3
四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的
最开始我们介绍了 thread.join()，可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行，那我们可以在 D 线程里依次 join A B C，不过这也就使得 A B C 必须依次执行，而我们要的是这三者能同步运行。
或者说，我们希望达到的目的是：A B C 三个线程同时运行，各自独立运行完后通知 D；对 D 而言，只要 A B C 都运行完了，D 再开始运行。针对这种情况，我们可以利用 CountdownLatch 来实现这类通信方式。它的基本用法是：
-
创建一个计数器，设置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
-
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小 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。
实现代码如下：
private
static
void
runDAfterABC
(
)
{
int
worker =
3
;
CountDownLatch countDownLatch =
new
CountDownLatch(worker);
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
System.
out
.println(
"D is waiting for other three threads"
);
try
{
countDownLatch.
await
();
System.
out
.println(
"All done, D starts working"
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
for
(
char
threadName=
'A'
; threadName <=
'C'
; threadName++) {
final String tN = String.valueOf(threadName);
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
System.
out
.println(tN +
" is working"
);
try
{
Thread.sleep(
100
);
}
catch
(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.
out
.println(tN +
" finished"
);
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
}
下面是运行结果：
D is waiting for other three threads
A is working
B is working
C is working
A finished
C finished
B finished
All done, D starts working
其实简单点来说，CountDownLatch 就是一个倒计数器，我们把初始计数值设置为3，当 D 运行时，先调用 countDownLatch.await() 检查计数器值是否为 0，若不为 0 则保持等待状态；当A B C 各自运行完后都会利用countDownLatch.countDown()，将倒计数器减 1，当三个都运行完后，计数器被减至 0；此时立即触发 D 的 await() 运行结束，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。
三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
上面是一个形象的比喻，针对 线程 A B C 各自开始准备，直到三者都准备完毕，然后再同时运行 。也就是要实现一种 线程之间互相等待 的效果，那应该怎么来实现呢？
上面的 CountDownLatch 可以用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的 await() 会得到响应，无法让多个线程同时触发。
为了实现线程间互相等待这种需求，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，自身准备完毕后，需要等待别人准备完毕，这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人；
-
当指定的 同时等待 的线程数都调用了 cyclicBarrier.await();时，意味着这些线程都准备完毕好，然后这些线程才 同时继续执行。
实现代码如下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其他人，全部准备好后才开始跑：
private
static
void
runABCWhenAllReady
(
)
{
int
runner =
3
;
CyclicBarrier cyclicBarrier =
new
CyclicBarrier(runner);
final Random random =
new
Random();
for
(
char
runnerName=
'A'
; runnerName <=
'C'
; runnerName++) {
final String rN = String.valueOf(runnerName);
new
Thread(
new
Runnable() {
@
Override
public
void
run
(
)
{
long
prepareTime = random.nextInt(
10000
) +
100
;
System.
out
.println(rN +
" is preparing for time: "
+ prepareTime);
try
{
Thread.sleep(prepareTime);
}
catch
(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try
{
System.
out
.println(rN +
" is prepared, waiting for others"
);
cyclicBarrier.
await
