Java并发编程(04)：线程间通信，等待/通知机制

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一、概念简介

1、线程通信

在操作系统中，线程是个独立的个体，但是在线程执行过程中，如果处理同一个业务逻辑，可能会产生资源争抢，导致并发问题，通常使用互斥锁来控制该逻辑。但是在还有这样一类场景，任务执行是有顺序控制的，例如常见的报表数据生成：

• 启动数据分析任务，生成报表数据；
• 报表数据存入指定位置数据容器；
• 通知数据搬运任务，把数据写入报表库；

该场景在相对复杂的系统中非常常见，如果基于多线程来描述该过程，则需要线程之间通信协作，才能有条不紊的处理该场景业务。

2、等待通知机制

如上的业务场景，如果线程A生成数据过程中，线程B一直在访问数据容器，判断该过程的数据是否已经生成，则会造成资源浪费。正常的流程应该如图，线程A和线程B同时启动，线程A开始处理数据生成任务，线程B尝试获取容器数据，数据还没过来，线程B则进入等待状态，当线程A的任务处理完成，则通知线程B去容器中获取数据，这样基于线程等待和通知的机制来协作完成任务。

3、基础方法

等待/通知机制的相关方法是Java中Object层级的基础方法，任何对象都有该方法：

• notify：随机通知一个在该对象上等待的线程，使其结束wait状态返回；
• notifyAll：唤醒在该对象上所有等待的线程，进入对象锁争抢队列中；
• wait：线程进入waiting等待状态，不会争抢锁对象，也可以设置等待时间；

线程的等待通知机制，就是基于这几个基础方法。

二、等待通知原理

1、基本原理

等待/通知机制，该模式下指线程A在不满足任务执行的情况下调用对象wait()方法进入等待状态，线程B修改了线程A的执行条件，并调用对象notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从wait状态返回，进而执行后续操作。两个线程通过基于对象提供的wait()/notify()/notifyAll()等方法完成等待和通知间交互，提高程序的可伸缩性。

2、实现案例

通过线程通信解决上述数据生成和存储任务的解耦流程。

public class NotifyThread01 {

    static Object lock = new Object() ;
    static volatile List<String> dataList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread saveThread = new Thread(new SaveData(),"SaveData");
        saveThread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        Thread dataThread = new Thread(new AnalyData(),"AnalyData");
        dataThread.start();
    }
    // 等待数据生成，保存
    static class SaveData implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock){
                while (dataList.size()==0){
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"等待...");
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("SaveData .."+ dataList.get(0)+dataList.get(1));
            }
        }
    }
    // 生成数据，通知保存
    static class AnalyData implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock){
                dataList.add("hello,");
                dataList.add("java");
                lock.notify();
                System.out.println("AnalyData End...");
            }
        }
    }
}

注意：除了dataList满足写条件，还要在AnalyData线程执行通知操作。

三、管道流通信

1、管道流简介

基本概念

管道流主要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中读取数据，进而实现不同线程间的通信。

实现分类

管道字节流：PipedInputStream和PipedOutputStream；

管道字符流：PipedWriter和PipedReader；

新IO管道流：Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel；

2、使用案例

public class NotifyThread02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        PipedInputStream pis = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();
        // 链接输入流和输出流
        pos.connect(pis);
        // 写数据线程
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
                // 将从键盘读取的数据写入管道流
                PrintStream ps = new PrintStream(pos);
                while (true) {
                    try {
                        System.out.print(Thread.currentThread().getName());
                        ps.println(br.readLine());
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "输入数据线程：").start();
        // 读数据线程
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(pis));
                while (true) {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + br.readLine());
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "输出数据线程：").start();
    }
}

写线程向管道流写入数据，读线程读取数据，完成基本通信流程。

四、生产消费模式

1、业务场景

基于线程等待通知机制：实现工厂生产一件商品，通知商店卖出一件商品的业务流程。

2、代码实现

public class NotifyThread03 {
    public static void main(String[] args) {
        Product product = new Product();
        ProductFactory productFactory = new ProductFactory(product);
        ProductShop productShop = new ProductShop(product);
        productFactory.start();
        productShop.start();
    }
}
// 产品
class Product {
    public String name ;
    public double price ;
    // 产品是否生产完毕,默认没有
    boolean flag ;
}
// 产品工厂：生产
class ProductFactory extends Thread {
    Product product ;
    public ProductFactory (Product product){
        this.product = product;
    }
    @Override
    public void run() {
        int i = 0 ;
        while (i < 20) {
            synchronized (product) {
                if (!product.flag){
                    if (i%2 == 0){
                        product.name = "鼠标";
                        product.price = 79.99;
                    } else {
                        product.name = "键盘";
                        product.price = 89.99;
                    }
                    System.out.println("产品："+product.name+"【价格："+product.price+"】出厂...");
                    product.flag = true ;
                    i++;
                    // 通知消费者
                    product.notifyAll();
                } else {
                    try {
                        // 进入等待状态
                        product.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}
// 产品商店：销售
class ProductShop extends Thread {
    Product product ;
    public ProductShop (Product product){
        this.product = product ;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (product) {
                if (product.flag == true ){
                    System.out.println("产品:"+product.name+"【价格"+(product.price*2)+"】卖出...");
                    product.flag = false ;
                    product.notifyAll(); //唤醒生产者
                } else {
                    try {
                        product.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

流程描述：ProductFactory生成一件商品，通知商店售卖，通过flag标识判断控制是否进入等待状态，商店卖出商品后，再次通知工厂生产商品。

五、源代码地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent