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Java 并发 - 多线程：线程间通信交替打印

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1.前言

这一部分，我通过一个经典的问题来引出几个线程间通信的方法，即：三个线程如何实现交替打印ABC？

2.代码实现

2.1 Synchronized

基本思路：使用同步块和wait、notify的方法控制三个线程的执行次序。具体方法如下：从大的方向上来讲，该问题为三线程间的同步唤醒操作，主要的目的就是ThreadA->ThreadB->ThreadC->ThreadA循环执行三个线程。为了控制线程执行的顺序，那么就必须要确定唤醒、等待的顺序，所以每一个线程必须同时持有两个对象锁，才能进行打印操作。一个对象锁是prev，就是前一个线程所对应的对象锁，其主要作用是保证当前线程一定是在前一个线程操作完成后（即前一个线程释放了其对应的对象锁）才开始执行。还有一个锁就是自身对象锁。主要的思想就是，为了控制执行的顺序，必须要先持有prev锁（也就前一个线程要释放其自身对象锁），然后当前线程再申请自己对象锁，两者兼备时打印。之后首先调用self.notify()唤醒下一个等待线程（注意notify不会立即释放对象锁，只有等到同步块代码执行完毕后才会释放），再调用prev.wait()立即释放prev对象锁，当前线程进入休眠，等待其他线程的notify操作再次唤醒。

下面程序可以看到程序一共定义了a,b,c三个对象锁，分别对应A、B、C三个线程。A线程最先运行，A线程按顺序申请c,a对象锁，打印操作后按顺序释放a,c对象锁，并且通过notify操作唤醒线程B。线程B首先等待获取A锁，再申请B锁，后打印B，再释放B，A锁，唤醒C。线程C等待B锁，再申请C锁，后打印C，再释放C,B锁，唤醒A。看起来似乎没什么问题，但如果你仔细想一下，就会发现有问题，就是初始条件，三个线程必须按照A,B,C的顺序来启动，但是这种假设依赖于JVM中线程调度、执行的顺序。

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public class UseSynchronized {
    public static class ThreadPrinter implements Runnable {
        private String name;
        private Object prev;
        private Object self;

        private ThreadPrinter(String name, Object prev, Object self) {
            this.name = name;
            this.prev = prev;
            this.self = self;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 10;
            while (count > 0) {// 多线程并发，不能用if，必须使用while循环
                synchronized (prev) { // 先获取 prev 锁
                    synchronized (self) {// 再获取 self 锁
                        System.out.print(name);// 打印
                        count--;
                        self.notifyAll();// 唤醒其他线程竞争self锁，注意此时self锁并未立即释放。
                    }
                    // 此时执行完self的同步块，这时self锁才释放。
                    try {
                        if (count == 0) { // 如果count==0,表示这是最后一次打印操作，通过notifyAll操作释放对象锁。
                            prev.notifyAll();
                        } else {
                            prev.wait(); // 立即释放 prev锁，当前线程休眠，等待唤醒
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object a = new Object();
        Object b = new Object();
        Object c = new Object();
        ThreadPrinter pa = new ThreadPrinter("A", c, a);
        ThreadPrinter pb = new ThreadPrinter("B", a, b);
        ThreadPrinter pc = new ThreadPrinter("C", b, c);

        new Thread(pa).start();
        Thread.sleep(10);// 保证初始ABC的启动顺序
        new Thread(pb).start();
        Thread.sleep(10);
        new Thread(pc).start();
        Thread.sleep(10);
    }
}

输出如下：

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ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

从这里，我们也可以得出wait和notify操作的异同：

  1. wait() 与 notify/notifyAll() 是Object类的方法，在执行两个方法时，要先获得锁。
  2. 当线程执行wait()时，会把当前的锁释放，然后让出CPU，进入等待状态。
  3. 当执行notify/notifyAll方法时，会唤醒一个处于等待该 对象锁 的线程，然后继续往下执行，直到执行完退出对象锁锁住的区域（synchronized修饰的代码块）后再释放锁。

从这里还可以看出，notify/notifyAll()执行后，并不立即释放锁，而是要等到执行完临界区中代码后，再释放。所以在实际编程中，我们应该尽量在线程调用notify/notifyAll()后，立即退出临界区。即不要在notify/notifyAll()后面再写一些耗时的代码。

2.2 Lock锁方法

基本思路：通过ReentrantLock我们可以很方便的进行显式的锁操作，即获取锁和释放锁，对于同一个对象锁而言，同一时刻只可能有一个线程拿到了这个锁，此时其他线程通过lock.lock()来获取对象锁时都会被阻塞，直到这个线程通过lock.unlock()操作释放这个锁后，其他线程才能拿到这个锁。

值得注意的是ReentrantLock是可重入锁，它持有一个锁计数器，当已持有锁的线程再次获得该锁时计数器值加1，每调用一次lock.unlock()时所计数器值减一，直到所计数器值为0，此时线程释放锁。

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

public class UseLock {

    // 通过Lock锁来保证线程的访问的互斥
    private static Lock lock = new ReentrantLock(); 
    // 通过state的值来确定是否打印
    private static int state = 0; 

    static class ThreadA extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10;) {
                try {
                    lock.lock();
                    // 多线程并发，不能用if，必须用循环测试等待条件，避免虚假唤醒
                    while (state % 3 == 0) { 
                        System.out.print("A");
                        state++;
                        i++;
                    }
                } finally {
                    // unlock()操作必须放在finally块中
                    lock.unlock(); 
                }
            }
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10;) {
                try {
                    lock.lock();
                    while (state % 3 == 1) { 
                        System.out.print("B");
                        state++;
                        i++;
                    }
                } finally {
                    lock.unlock(); 
                }
            }
        }
    }

    static class ThreadC extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10;) {
                try {
                    lock.lock();
                    while (state % 3 == 2) { 
                        System.out.print("C");
                        state++;
                        i++;
                    }
                } finally {
                    lock.unlock(); 
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new ThreadA().start();
        new ThreadB().start();
        new ThreadC().start();
    }
}

输出如下：

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ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

2.3 ReentrantLock结合Condition

与ReentrantLock搭配的通行方式是Condition，Condition是被绑定到Lock上的，必须使用lock.newCondition()才能创建一个Condition。从下面的代码可以看出，Synchronized能实现的通信方式，Condition都可以实现，功能类似的代码写在同一行中。这样解题思路就和第一种方法基本一致，只是采用的方法不同。

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

public class UseCondition {
    // 创建一个可重入锁lock
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    // 再在上面创建的lock 进行三个条件的绑定
    private static Condition A = lock.newCondition();
    private static Condition B = lock.newCondition();
    private static Condition C = lock.newCondition();

    private static int count = 0;

    static class ThreadA extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // 注意这里是不等于0，也就是说在count % 3为0之前，当前线程一直阻塞状态
                    while (count % 3 != 0) 
                        // ConditionA 进入等待状态
                        A.await(); 
                    System.out.print("A");
                    count++;
                    // A执行完唤醒B线程
                    B.signal(); 
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // 条件不满足时，ConditionB进行等待
                    // 当前面A线程执行后会通过B.signal()唤醒该线程，才会往下走
                    while (count % 3 != 1)
                        B.await(); 
                    System.out.print("B");
                    count++;
                    C.signal(); // B执行完唤醒C线程
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class ThreadC extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // 同上不再解释
                    while (count % 3 != 2)
                        C.await(); 
                    System.out.print("C");
                    count++;
                    // C执行完唤醒A线程
                    A.signal(); 
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ThreadA().start();
        new ThreadB().start();
        new ThreadC().start();
    }
}

输出如下：

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ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

2.4 Semaphore信号量方式

Semaphore又称信号量，是操作系统中的一个概念，在Java并发编程中，信号量控制的是线程并发的数量。public Semaphore (int permits)，其中参数permits就是允许同时运行的线程数目；

Semaphore是用来保护一个或者多个共享资源的访问，Semaphore内部维护了一个计数器，其值为可以访问的共享资源的个数。一个线程要访问共享资源，先获得信号量，如果信号量的计数器值大于1，意味着有共享资源可以访问，则使其计数器值减去1，再访问共享资源。如果计数器值为0,线程进入休眠。当某个线程使用完共享资源后，释放信号量，并将信号量内部的计数器加1，之前进入休眠的线程将被唤醒并再次试图获得信号量。

Semaphore使用时需要先构建一个参数来指定共享资源的数量，Semaphore构造完成后即是获取Semaphore、共享资源使用完毕后释放Semaphore。

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Semaphore semaphore = new Semaphore(10, true);
semaphore.acquire();
// do something here
semaphore.release();

Demo 代码如下：

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public class UseSemaphore {
    // 以A开始的信号量,初始信号量数量为1
    private static Semaphore A = new Semaphore(1);
    // B、C信号量,A完成后开始,初始信号数量为0
    private static Semaphore B = new Semaphore(0);
    private static Semaphore C = new Semaphore(0);

    static class ThreadA extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    A.acquire(); // A获取信号执行,A信号量减1,当A为0时将无法继续获得该信号量
                    System.out.print("A");
                    B.release(); // B释放信号，B信号量加1（初始为0），此时可以获取B信号量
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    B.acquire();
                    System.out.print("B");
                    C.release();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class ThreadC extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    C.acquire();
                    System.out.println("C");
                    A.release();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 三个线程开启
        new ThreadA().start();
        new ThreadB().start();
        new ThreadC().start();
    }
}

输出如下：

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ABC
ABC
ABC
ABC
ABC
ABC
ABC
ABC
ABC
ABC

2.5 使用join

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public class UseJoin {
    static class WorkersA implements Runnable {
        public void run() {
            System.out.println("A");
        }
    }
    static class WorkersB implements Runnable {
        public void run() {
            System.out.println("B");
        }
    }
    static class WorkersC implements Runnable {
        public void run() {
            System.out.println("C");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread1 = new Thread(new WorkersA());
            thread1.start();
            thread1.join();
            Thread thread2 = new Thread(new WorkersB());
            thread2.start();
            thread2.join();
            Thread thread3 = new Thread(new WorkersC());
            thread3.start();
            thread3.join();
        }
    }
}

输出如下：

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