java並發之線程間通信協作

　　在前面我們將了很多關於同步的問題，然而在現實中，需要線程之間的協作。比如說最經典的生產者-消費者模型：當隊列滿時，生產者需要等待隊列有空間才能繼續往里面放入商品，而在等待的期間內，生產者必須釋放對臨界資源（即隊列）的占用權。因為生產者如果不釋放對臨界資源的占用權，那么消費者就無法消費隊列中的商品，就不會讓隊列有空間，那么生產者就會一直無限等待下去。因此，一般情況下，當隊列滿時，會讓生產者交出對臨界資源的占用權，並進入掛起狀態。然后等待消費者消費了商品，然后消費者通知生產者隊列有空間了。同樣地，當隊列空時，消費者也必須等待，等待生產者通知它隊列中有商品了。這種互相通信的過程就是線程間的協作。

　　Java中線程通信協作的最常見的兩種方式：

　　一.syncrhoized加鎖的線程的Object類的wait()/notify()/notifyAll()

　　二.ReentrantLock類加鎖的線程的Condition類的await()/signal()/signalAll()

　　線程間直接的數據交換：

　　三.通過管道進行線程間通信：1）字節流；2）字符流  　

一.syncrhoized加鎖的線程的Object類的wait()/notify()/notifyAll()

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

/**
 * 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;

從這三個方法的文字描述可以知道以下幾點信息：

　　1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，並且為final方法，無法被重寫。

　　2）調用某個對象的wait()方法能讓當前線程阻塞，並且當前線程必須擁有此對象的monitor（即鎖）

　　3）調用某個對象的notify()方法能夠喚醒一個正在等待這個對象的monitor的線程，如果有多個線程都在等待這個對象的monitor，則只能喚醒其中一個線程；

　　4）調用notifyAll()方法能夠喚醒所有正在等待這個對象的monitor的線程；

　　有朋友可能會有疑問：為何這三個不是Thread類聲明中的方法，而是Object類中聲明的方法（當然由於Thread類繼承了Object類，所以Thread也可以調用者三個方法）？其實這個問題很簡單，由於每個對象都擁有monitor（即鎖），所以讓當前線程等待某個對象的鎖，當然應該通過這個對象來操作了。而不是用當前線程來操作，因為當前線程可能會等待多個線程的鎖，如果通過線程來操作，就非常復雜了。

　　上面已經提到，如果調用某個對象的wait()方法，當前線程必須擁有這個對象的monitor（即鎖），因此調用wait()方法必須在同步塊或者同步方法中進行（synchronized塊或者synchronized方法）。如果當前線程沒有這個對象的鎖就調用wait（）方法，則會拋出IllegalMonitorStateException.

　　 調用某個對象的wait()方法，相當於讓當前線程交出（釋放）此對象的monitor，然后進入等待狀態，等待后續再次獲得此對象的鎖（Thread類中的sleep方法使當前線程暫停執行一段時間，從而讓其他線程有機會繼續執行，但它並不釋放對象鎖）；　　

　　notify()方法能夠喚醒一個正在等待該對象的monitor的線程，當有多個線程都在等待該對象的monitor的話，則只能喚醒其中一個線程，具體喚醒哪個線程則不得而知。 同樣地，調用某個對象的notify()方法，當前線程也必須擁有這個對象的monitor，因此調用notify()方法必須在同步塊或者同步方法中進行（synchronized塊或者synchronized方法）。

　　nofityAll()方法能夠喚醒所有正在等待該對象的monitor的線程，這一點與notify()方法是不同的。

　　這里要注意一點：notify()和notifyAll()方法只是喚醒等待該對象的monitor的線程，並不決定哪個線程能夠獲取到monitor。

 　　舉個簡單的例子：假如有三個線程Thread1、Thread2和Thread3都在等待對象objectA的monitor，此時Thread4擁有對象objectA的monitor，當在Thread4中調用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一個能被喚醒。注意，被喚醒不等於立刻就獲取了objectA的monitor。假若在Thread4中調用objectA.notifyAll()方法，則Thread1、Thread2和Thread3三個線程都會被喚醒，至於哪個線程接下來能夠獲取到objectA的monitor就具體依賴於操作系統的調度了。

　　上面尤其要注意一點，一個線程被喚醒不代表立即獲取了對象的monitor，只有等調用完notify()或者notifyAll()並退出synchronized塊，釋放對象鎖后，其余線程才可獲得鎖執行。

 一個生產者一個消費者

一個對象，作為鎖（利用該對象的monitor）

package com.jp.oneone;

public class ValueObject {

    public static String value = "";

}

生產者：

package com.jp.oneone;

//生產者
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) { //當前線程必須獲得鎖才可以進行下面的操作
                    if (!ValueObject.value.equals("")) {//如果Value不為空，說明字符串還沒被消費，所以調用wait方法，把當前線程（生成線程）阻塞
                        lock.wait();
                    }
                    String value = System.currentTimeMillis() + "_"
                            + System.nanoTime();
                    System.out.println("set的值是" + value);
                    ValueObject.value = value;//為空的話，則生成
                    lock.notify();//生成完就喚醒等待該對象鎖的線程，（這里只有一個消費者等這個鎖，所以就是喚醒的它）
                }

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

消費者：

package com.jp.oneone;

//消費者
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("")) {//如果字符串為空，即被消費完了，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();
            }
        }
    }
}

測試：

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();
    }

}

運行結果

本例是1個生產者1個消費者進行數據的交互。

 多個生產者多個消費者

實現和上面1對1基本一樣，只是在測試代碼中，多new幾個生產者，幾個消費者。

只需注意一個問題：假死

問題描述：所有線程都被wait，這個項目就停止運行了。

問題原因：代碼中使用wait/notify進行通信，不能保證notify喚醒的是異類（生產者喚醒消費者還是生產者），比如生產者喚醒生產者，消費者喚醒消費者，就可能導致都在等待的狀態。

問題解決：其實很簡單，就是喚醒的時候同類異類都喚醒，把notify()改為natifyAll()就解決了。

二.ReentrantLock類加鎖的線程的Condition類的await()/signal()/signalAll()

　　Condition是在java 1.5中才出現的，它用來替代傳統的Object的wait()、notify()實現線程間的協作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()這種方式實現線程間協作更加安全和高效。因此通常來說比較推薦使用Condition，在阻塞隊列那一篇博文中就講述到了，阻塞隊列實際上是使用了Condition來模擬線程間協作。

• Condition是個接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
• Condition依賴於Lock接口，生成一個Condition的基本代碼是lock.newCondition() 
•  調用Condition的await()和signal()方法，都必須在lock保護之內，就是說必須在lock.lock()和lock.unlock之間才可以使用

　　Conditon中的await()對應Object的wait()；

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

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

 一個生產者一個消費者

 這個例子用了《Java多線程編程核心技術》中的方式，把生產者和消費者的方法寫到一個類中，與生成線程和消費線程分開，感覺更高大上，當然上面的例子也可以寫成這種方式。

含有生成者消費者的類

package oneone;

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

public class MyService {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//拿到可重入鎖，相當於synchronized的作用
    private Condition condition = lock.newCondition();//調用await和signal方法的對象，相當於Object對象（任意對象）的的wait和notify方法
    private boolean hasValue = false;

    //生產者
    public void set() {
        try {
            lock.lock();//獲得鎖
            while (hasValue == true) {
                condition.await(); //沒被消費則阻塞該生產線程，當然也釋放了鎖，進入等鎖的隊列
            }
            System.out.println("打印★");
            hasValue = true;
            condition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    //消費者
    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();
        }
    }

}

對應生成者的線程類

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();
        }
    }

}

對應消費者的線程類

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();
        }
    }

}

測試類

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();

    }
}

運行結果

 三.通過管道進行線程間通信：1）字節流；2）字符流

 Java中有各種各樣的輸入、輸出流（Stream）,其中管道流（pipeStream）是一種特殊的流，用於在不同線程間直接傳送數據。

 一個線程發送數據到輸出管道，另一個線程從輸入管道讀數據。

以字節流舉例：

寫數據的類，把數據寫入管道輸出流

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();
        }
    }
}

讀數據的類，從管道輸入流讀數據

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();
        }
    }
}

寫數據的線程類

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);
    }

}

讀數據的線程類

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);
    }
}

測試類：

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();

            //將兩個Stream之間產生通信鏈接，這樣才能將數據進行輸入輸出,下面兩種方式都可以，其一即可
            //inputStream.connect(outputStream);
            outputStream.connect(inputStream);

            //開啟讀線程
            ThreadRead threadRead = new ThreadRead(readData, inputStream);
            threadRead.start();

            Thread.sleep(2000);

            //開啟寫線程
            ThreadWrite threadWrite = new ThreadWrite(writeData, outputStream);
            threadWrite.start();

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

    }

}

運行結果

read  :
write :
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300

 

 

《Java多線程編程核心技術》

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