Java 如何实现线程间通信？（notify、join、CountdownLatch、CyclicBarrier、FutureTask、Callable ）

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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？
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

1、如何让两个线程依次执行？

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();

}

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

2、让两个线程按照指定方式有序交叉运行

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：

/**

 * A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3

 */

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

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。

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。

4、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(); // 当前运动员准备完毕，等待别人准备好

                } catch (InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

                } catch (BrokenBarrierException e) {

                    e.printStackTrace();

                }

                System.out.println(rN + " starts running"); // 所有运动员都准备好了，一起开始跑

            }

        }).start();

    }

}

打印的结果如下：

A is preparing for time: 4131

B is preparing for time: 6349

C is preparing for time: 8206

A is prepared, waiting for others

B is prepared, waiting for others

C is prepared, waiting for others

C starts running

A starts running

B starts running

子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程

实际的开发中，我们经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在 Java 里要如何实现呢？

回顾线程的创建，我们一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。

但这种实现的 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类 Callable：

@FunctionalInterface

public interface Callable<V> {

    V call() throws Exception;

}

可以看出 Callable 最大区别就是返回范型 V 结果。

那么下一个问题就是，如何把子线程的结果回传回来呢？在 Java 里，有一个类是配合 Callable 使用的：FutureTask，不过注意，它获取结果的 get 方法会阻塞主线程。

举例，我们想让子线程去计算从 1 加到 100，并把算出的结果返回到主线程。

private static void doTaskWithResultInWorker() {

        Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {

            @Override

            public Integer call() throws Exception {

                System.out.println(Thread.currentThread()+"--2-->Task starts");

                Thread.sleep(1000);

                int result = 0;

                for (int i = 0; i <= 100; i++) {

                    result += i;

                }

                System.out.println(Thread.currentThread() + "--3-->Task finished and return result");

                return result;

            }

        };

        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);

        new Thread(futureTask).start();

        try {

            System.out.println(Thread.currentThread() + "--1-->Before futureTask.get()");

            System.out.println(Thread.currentThread() + "--8-->Result: " + futureTask.get());

            System.out.println(Thread.currentThread() + "--9-->After futureTask.get()");

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (ExecutionException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

结果：

Thread[main,5,main]        --1-->Before futureTask.get()

Thread[Thread-0,5,main] --2-->Task starts

Thread[Thread-0,5,main] --3-->Task finished and return result

Thread[main,5,main]        --8-->Result: 5050

Thread[main,5,main]        --9-->After futureTask.get()

可以看到，主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程；然后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 futureTask.get() 得到结果，主线程恢复运行。

这里我们可以学到，通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到线程池去管理执行。