Java 多线程下篇线程通讯

ethernet 发布于2019-08-16 15:56 / 939人阅读

摘要：等待通知机制利用，实现的一个生产者一个消费者和一个单位的缓存的简单模型上面例子中我们生产了一个数据后就需要对这个数据进行消费如果生产了但数据没有被获取则生产线程会在等待中直到调用了方法后才会被继续执行反之也是一样的也就是说方法是使线程暂停

等待/通知机制

利用wait，notify实现的一个生产者、一个消费者和一个单位的缓存的简单模型:

public class QueueBuffer {
    int n;
    boolean valueSet = false;

    synchronized int get() {
        if (!valueSet)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("InterruptedException caught");
            }
        System.out.println("Got: " + n);
        valueSet = false;
        notify();
        return n;
    }

    synchronized void put(int n) {
        if (valueSet)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("InterruptedException caught");
            }
        this.n = n;
        valueSet = true;
        System.out.println("Put: " + n);
        notify();
    }
}

public class Producer implements Runnable {
    
    private QueueBuffer q;

    Producer(QueueBuffer q) {
        this.q = q;
        new Thread(this, "Producer").start();
    }

    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            q.put(i++);
        }
    }

}

public class Consumer implements Runnable {
    
    private QueueBuffer q;

    Consumer(QueueBuffer q) {
        this.q = q;
        new Thread(this, "Consumer").start();
    }

    public void run() {
        while (true) {
            q.get();
        }
    }

}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        QueueBuffer q = new QueueBuffer(); 
        new Producer(q); 
        new Consumer(q); 
        System.out.println("Press Control-C to stop."); 
    }

}

上面例子中, 我们生产了一个数据后就需要对这个数据进行消费. 如果生产了但数据没有被获取, 则生产线程会在等待中. 直到调用了 notify() 方法后才会被继续执行. 反之也是一样的.

也就是说, wait() 方法是使线程暂停; notify() 方法是使线程继续运行.

但是在使用时需要注意:

1.执行wait, notify时，不获得锁会如何?

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        obj.wait();
        obj.notifyAll();
}

执行以上代码, 会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常.

2.执行wait, notify时, 不获得该对象的锁会如何?

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            obj.wait();
            obj.notifyAll();
        }
    }

执行代码，同样会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常

该对象的锁 指的就是 obj 对象的锁.

3.为什么在执行 wait, notify时, 必须获得该对象的锁？

我们需要先知道 synchronized 的作用:

Java中每一个对象都可以成为一个监视器(Monitor), 该Monitor由一个锁(lock), 一个等待队列(waiting queue), 一个入口队列(entry queue).

对于一个对象的方法, 如果没有 synchronized 关键字, 该方法可以被任意数量的线程, 在任意时刻调用.

对于添加了 synchronized 关键字的方法, 任意时刻只能被唯一的一个获得了对象实例锁的线程调用.

synchronized 用于实现多线程的同步操作.

当一个线程在执行 synchronized 的方法内部, 调用了 wait() 后, 该线程会释放该对象的锁, 然后该线程会被添加到该对象的等待队列中(waiting queue), 只要该线程在等待队列中, 就会一直处于闲置状态, 不会被调度执行.

要注意 wait() 方法会强迫线程先进行释放锁操作, 所以在调用 wait() 时, 该线程必须已经获得锁, 否则会抛出异常(IllegalMonitorStateException). 由于 wait() 在 synchonized 的方法内部被执行, 锁一定已经获得, 就不会抛出异常了.

当一个线程调用一个对象的 notify() 方法时, 调度器会从所有处于该对象等待队列 (waiting queue) 的线程中取出任意一个线程, 将其添加到入口队列 (entry queue) 中. 然后在入口队列中的多个线程就会竞争对象的锁, 得到锁的线程就可以继续执行. 如果等待队列中(waiting queue)没有线程, notify() 方法不会产生任何作用.

线程状态

NEW: 线程实例化时的默认状态.

RUNNABLE: 一旦线程开始执行, 它就会移动到Runnable状态. 请注意, 等待获取 CPU 以供执行的线程仍处于此状态.

BLOCKED: 线程一旦被阻塞, 就会等待监视器锁, 并且移动到阻塞状态. 有两种方式可以进入阻塞状态.

synchronised 同步代码块或同步方法.

调用 Object.Wait 方法.

WAITING: 调用下列方法来将线程变为等待状态

Object.wait without a timeout

Thread.join without a timeout

LockSupport.park

TIMED_WAITING: 调用下列方法将线程变为超时等待

Thread.sleep

Object.wait with a timeout

Thread.join with a timeout

LockSupport.parkNanos

LockSupport.parkUntil

TERMINATED: 一旦线程终止, 它就会移动到这种状态.

通过管道进行线程通信: 字节流

用来读取管道中的数据

public class ReadData extends Thread {

    private PipedInputStream pipedInputStream;

    public ReadData(PipedInputStream pipedInputStream) {
        this.pipedInputStream = pipedInputStream;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("read :");
            byte[] byteArray = new byte[20];
            int readLen = this.pipedInputStream.read(byteArray);
            String newData = "";
            while(readLen != -1) {
                newData += new String(byteArray, 0, readLen);
                readLen = this.pipedInputStream.read(byteArray);

            }
            
            System.out.println(newData);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

用来给管道发送数据

public class WriteData extends Thread {

    private PipedOutputStream pipedOutputStream;

    public WriteData(PipedOutputStream pipedOutputStream) {
        this.pipedOutputStream = pipedOutputStream;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("write :");
            for (int i = 0; i < 300; i++) {
                String outData = "" + (i + 1);
                this.pipedOutputStream.write(outData.getBytes());
                System.out.print(outData);
            }
            System.out.println();
            this.pipedOutputStream.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        PipedInputStream pipedInputStream = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream pipedOutputStream = new PipedOutputStream();

        pipedOutputStream.connect(pipedInputStream);

        WriteData writeData = new WriteData(pipedOutputStream);
        ReadData readData = new ReadData(pipedInputStream);

        writeData.start();
        readData.start();

    }

pipedOutputStream.connect(pipedInputStream); 用来将两个流之间产生通讯.

对于字节流和字符流是一样的, 只需要使用 PipedWriter 和 PipedReader.

join 方法使用

在一个线程(父线程)中创建另一个线程(子线程), 有些情况下, 我们需要等待子线程执行完成后, 父线程在继续执行.

比如子线程处理一个数据, 父线程要取得这个数据中的值, 可以考虑使用 join 方法来实现.

不使用 join 方法前的问题

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        int i = (int) (Math.random() * 10000);
        System.out.println(i);
        try {
            Thread.sleep(i);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();

        //Thread.sleep(?);

        System.out.println("我想当 myThread 执行完毕后再执行");
        System.out.println("但上面代码中 sleep 中的值应该写多少?");
        System.out.println("答案是: 值不能确定 :) ");
    }

使用 join 方法来解决问题

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
        myThread.join();

        System.out.println("我想当 myThread 对象执行完毕后我再执行, 我做到了");
    }

join 与 synchronized 的区别是: join 在内部使用 wait 方法进行等待, 而 synchronized 关键字使用的是 "对象监视器" 原理做完同步.
并且如果遇到 interrupt 方法则会抛出, InterruptedException

join(long) 方法的使用

方法 join(long) 中的参数是设置等待的时间.

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("执行完成");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

    MyThread myThread = new MyThread();
    myThread.start();
    myThread.join(2000);

    System.out.println("等待2秒后执行");
}

从打印结果来看主线程只等待了两秒后输出了 "等待2秒后执行", 和 sleep 执行结果是一样的. 主要原因还是来自于这2个方法同步的处理上.

方法 join(long) 与 sleep(long) 的区别, join(long) 会释放锁, sleep(long) 不会释放锁.

ThreadLocal 类的使用

变量值的共享可以使用 public static 变量的形式, 所有的线程都使用同一个 public static 变量. 如果想实现每一个线程都有自己的共享变量可以使用 ThreadLocal 类.

类 ThreadLocal 主要解决的就是每个线程绑定自己的值, 可以比喻成全局存放数据的盒子, 盒子中可以存储每个线程的私有数据.

多个线程之间是隔离的.

public class Tools {
    public static ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
}

public class ThreadA extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                Tools.threadLocal.set("ThreadA" + (i + 1));
                System.out.println("ThreadA get Value=" + Tools.threadLocal.get());
                Thread.sleep(200);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class ThreadB extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                Tools.threadLocal.set("ThreadB" + (i + 1));
                System.out.println("ThreadB get Value=" + Tools.threadLocal.get());
                Thread.sleep(200);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

类 InheritableThreadLocal 的使用

使用 InheritableThreadLocal 类可以在子线程中取得父线程继承下来的值.

值继承

public class InheritableThreadLocalEx extends InheritableThreadLocal {
    @Override
    protected Object initialValue() {
        return new Date().getTime();
    }
}

public class Tools {
    public static InheritableThreadLocalEx inheritableThreadLocalEx = new InheritableThreadLocalEx();
}

public class ThreadA extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println("ThreadA get Value=" + Tools.inheritableThreadLocalEx.get());
                Thread.sleep(100);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        System.out.println("Main get Value=" + Tools.inheritableThreadLocalEx.get());
        Thread.sleep(100);
    }

    ThreadA threadA = new ThreadA();
    threadA.start();
}

值继承再修改

public class InheritableThreadLocalEx extends InheritableThreadLocal {
    @Override
    protected Object initialValue() {
        return new Date().getTime();
    }

    @Override
    protected Object childValue(Object parentValue) {
        return parentValue + " 我在子线程加的~";
    }
}

注意, 如果子线程在取得值得同, 主线程将 InheritableThreadLocal 中的值进行更改, 那么子线程取到的值还是就值.

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