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Java多线程基础篇(04)-线程同步机制和线程间通信

kukudeku
 kukudeku
发布于 2016/09/21 16:00
字数 3964
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1.线程的等待与唤醒

本节包括wait(),notify(),notifyAll()介绍。以及为什么notify,wait等方法要定义在Object中而不是Thread中。

1.1 wait,notify,notifyAll方法介绍

在Object中,定义了wait(), notify()和notifyAll()等接口。wait()的作用是让当前线程进入等待状态,同时,wait()也会让当前线程释放它所持有的锁。而notify()和notifyAll()的作用,则是唤醒当前对象上的等待线程;notify()是唤醒单个线程,而notifyAll()是唤醒所有的线程。

Object类中关于等待/唤醒的API详细信息如下:
notify()        -- 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
notifyAll()   -- 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。
wait()                                         -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”,“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法”,当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。
wait(long timeout)                    -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”,“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法,或者超过指定的时间量”,当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。
wait(long timeout, int nanos)  -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”,“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法,或者其他某个线程中断当前线程,或者已超过某个实际时间量”,当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。

1.2 wait和notify示例

// WaitTest.java的源码
class ThreadA extends Thread{

    public ThreadA(String name) {
        super(name);
    }

    public void run() {
        synchronized (this) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call notify()");
            // 唤醒当前的wait线程
            notify();
        }
    }
}

public class WaitTest {

    public static void main(String[] args) {

        ThreadA t1 = new ThreadA("t1");

        synchronized(t1) {
            try {
                // 启动“线程t1”
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start t1");
                t1.start();

                // 主线程等待t1通过notify()唤醒。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" wait()");
                t1.wait();

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continue");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行结果:

main start t1
main wait()
t1 call notify()
main continue

结果说明:

  • (01) 注意,图中"主线程" 代表“主线程main”。"线程t1" 代表WaitTest中启动的“线程t1”。 而“锁” 代表“t1这个对象的同步锁”。
  • (02) “主线程”通过 new ThreadA("t1") 新建“线程t1”。随后通过synchronized(t1)获取“t1对象的同步锁”。然后调用t1.start()启动“线程t1”。
  • (03) “主线程”执行t1.wait() 释放“t1对象的锁”并且进入“等待(阻塞)状态”。等待t1对象上的线程通过notify() 或 notifyAll()将其唤醒。
  • (04) “线程t1”运行之后,通过synchronized(this)获取“当前对象的锁”;接着调用notify()唤醒“当前对象上的等待线程”,也就是唤醒“主线程”。
  • (05) “线程t1”运行完毕之后,释放“当前对象的锁”。紧接着,“主线程”获取“t1对象的锁”,然后接着运行。

注意:t1.wait()方法时引起“当前线程”等待,直到另外一个线程调用notify()或notifyAll()唤醒该线程。意思也就是t1.wait()让主线程(当前线程)等待而不是t1等待。

1.3 为什么wait()函数定义在Obejct中

Object中的wait(), notify()等函数,和synchronized一样,会对“对象的同步锁”进行操作。

wait()会使“当前线程”等待,因为线程进入等待状态,所以线程应该释放它锁持有的“同步锁”,否则其它线程获取不到该“同步锁”而无法运行!线程调用wait()之后,会释放它锁持有的“同步锁”;而且,根据前面的介绍,我们知道:等待线程可以被notify()或notifyAll()唤醒。

责唤醒等待线程的那个线程(我们称为“唤醒线程”),它只有在获取“该对象的同步锁”(这里的同步锁必须和等待线程的同步锁是同一个),并且调用notify()或notifyAll()方法之后,才能唤醒等待线程。虽然,等待线程被唤醒;但是,它不能立刻执行,因为唤醒线程还持有“该对象的同步锁”。必须等到唤醒线程释放了“对象的同步锁”之后,等待线程才能获取到“对象的同步锁”进而继续运行。

总之,notify(), wait()依赖于“同步锁”,而“同步锁”是对象锁持有,并且每个对象有且仅有一个!这就是为什么notify(), wait()等函数定义在Object类,而不是Thread类中的原因。

2.线程让步方法yield

2.1 线程让步简介

线程让步:让当前线程由“运行状态”进入到“就绪状态”,从而让其他具有相同优先级的等待线程获取执行权。但是在当前线程调用yield()之后,其他具有相同优先级的线程就一定能获取执行权,也有可能是当前线程获取到了执行权从而又进入到“运行状态”继续执行。这与线程调度器有关。

2.2 yield()示例

// YieldTest.java的源码
class ThreadA extends Thread{
    public ThreadA(String name){ 
        super(name); 
    } 
    public synchronized void run(){ 
        for(int i=0; i <10; i++){ 
            System.out.printf("%s [%d]:%d\n", this.getName(), this.getPriority(), i); 
            // i整除4时,调用yield
            if (i%4 == 0)
                Thread.yield();
        } 
    } 
} 

public class YieldTest{ 
    public static void main(String[] args){ 
        ThreadA t1 = new ThreadA("t1"); 
        ThreadA t2 = new ThreadA("t2"); 
        t1.start(); 
        t2.start();
    } 
}

运行结果(每一次运行结果可能不一致):

t1 [5]:0
t2 [5]:0
t1 [5]:1
t1 [5]:2
t1 [5]:3
t1 [5]:4
t1 [5]:5
t1 [5]:6
t1 [5]:7
t1 [5]:8
t1 [5]:9
t2 [5]:1
t2 [5]:2
t2 [5]:3
t2 [5]:4
t2 [5]:5
t2 [5]:6
t2 [5]:7
t2 [5]:8
t2 [5]:9

结果说明:

“线程t1”在能被4整数的时候,并没有切换到“线程t2”。这表明,yield()虽然可以让线程由“运行状态”进入到“就绪状态”;但是,它不一定会让其它线程获取CPU执行权(即,其它线程进入到“运行状态”),即使这个“其它线程”与当前调用yield()的线程具有相同的优先级。

2.3 线程让步yield和线程等待wait的比较

我们知道,wait()的作用是让当前线程由“运行状态”进入“等待(阻塞)状态”的同时,也会释放同步锁。而yield()的作用是让步,它也会让当前线程离开“运行状态”。它们的区别是:
(01) wait()是让线程由“运行状态”进入到“等待(阻塞)状态”,而不yield()是让线程由“运行状态”进入到“就绪状态”。
(02) wait()是会线程释放它所持有对象的同步锁,而yield()方法不会释放锁。

3.线程休眠sleep

3.1 线程休眠简介

    线程休眠:当线程调用sleep()方法后,当前线程休眠,即当前线程从“运行状态”进入到“休眠(阻塞)状态”。sleep()会指定休眠时间,线程休眠的时间会大于/等于该休眠时间;在线程重新被唤醒时,它会从“阻塞状态”进入“就绪状态”,从而等待CPU的调度执行。

3.2 sleep方法示例

// SleepTest.java的源码
class ThreadA extends Thread{
    public ThreadA(String name){ 
        super(name); 
    } 
    public synchronized void run() { 
        try {
            for(int i=0; i <10; i++){ 
                System.out.printf("%s: %d\n", this.getName(), i); 
                // i能被4整除时,休眠100毫秒
                if (i%4 == 0)
                    Thread.sleep(100);
            } 
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    } 
} 

public class SleepTest{ 
    public static void main(String[] args){ 
        ThreadA t1 = new ThreadA("t1"); 
        t1.start(); 
    } 
}

运行结果;

t1: 0
t1: 1
t1: 2
t1: 3
t1: 4
t1: 5
t1: 6
t1: 7
t1: 8
t1: 9

结果说明:

程序比较简单,在主线程main中启动线程t1。t1启动之后,当t1中的计算i能被4整除时,t1会通过Thread.sleep(100)休眠100毫秒。

3.3 sleep()与wait()的比较

我们知道,wait()的作用是让当前线程由“运行状态”进入“等待(阻塞)状态”的同时,也会释放同步锁。而sleep()的作用是也是让当前线程由“运行状态”进入到“休眠(阻塞)状态”。
但是,wait()会释放对象的同步锁,而sleep()则不会释放锁。

4. Thead.join方法

4.1 join()方法介绍

join() 定义在Thread.java中。
join() 的作用:让“主线程”等待“子线程”结束之后才能继续运行。

4.2 join()方法源码分析

public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

说明
从代码中,我们可以发现。当millis==0时,会进入while(isAlive())循环;即只要子线程是活的,主线程就不停的等待。

4.3 join()方法与wait()方法比较

    wait方法的作用是让“当前线程”等待,而这里的“当前线程”是指当前在CPU上运行的线程。所以,虽然是调用子线程的wait()方法,但是它是通过“主线程”去调用的;所以,休眠的是主线程,而不是“子线程”!而join方法时让主线程等待,不是CPU上执行的线程。

4.4 join()方法示例

// JoinTest.java的源码
public class JoinTest{ 

    public static void main(String[] args){ 
        try {
            ThreadA t1 = new ThreadA("t1"); // 新建“线程t1”

            t1.start();                     // 启动“线程t1”
            t1.join();                        // 将“线程t1”加入到“主线程main”中,并且“主线程main()会等待它的完成”
            System.out.printf("%s finish\n", Thread.currentThread().getName()); 
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    } 

    static class ThreadA extends Thread{

        public ThreadA(String name){ 
            super(name); 
        } 
        public void run(){ 
            System.out.printf("%s start\n", this.getName()); 

            // 延时操作
            for(int i=0; i <1000000; i++)
               ;

            System.out.printf("%s finish\n", this.getName()); 
        } 
    } 
}

运行结果:

t1 start
t1 finish
main finish

结果说明:

  • (01) 在“主线程main”中通过 new ThreadA("t1") 新建“线程t1”。 接着,通过 t1.start() 启动“线程t1”,并执行t1.join()。
  • (02) 执行t1.join()之后,“主线程main”会进入“阻塞状态”等待t1运行结束。“子线程t1”结束之后,会唤醒“主线程main”,“主线程”重新获取cpu执行权,继续运行。

5 线程中断和终止方式

5.1 中断interrupt()说明

    interrupt()的作用是中断本线程。

    本线程中断自己是被允许的;其它线程调用本线程的interrupt()方法时,会通过checkAccess()检查权限。这有可能抛出SecurityException异常。

    如果本线程是处于阻塞状态:调用线程的wait(), wait(long)或wait(long, int)会让它进入等待(阻塞)状态,或者调用线程的join(), join(long), join(long, int), sleep(long), sleep(long, int)也会让它进入阻塞状态。

    若线程在阻塞状态时,调用了它的interrupt()方法,那么它的“中断状态”会被清除并且会收到一个InterruptedException异常。例如,线程通过wait()进入阻塞状态,此时通过interrupt()中断该线程;调用interrupt()会立即将线程的中断标记设为“true”,但是由于线程处于阻塞状态,所以该“中断标记”会立即被清除为“false”,同时,会产生一个InterruptedException的异常。
    如果线程被阻塞在一个Selector选择器中,那么通过interrupt()中断它时;线程的中断标记会被设置为true,并且它会立即从选择操作中返回。
如果不属于前面所说的情况,那么通过interrupt()中断线程时,它的中断标记会被设置为“true”。
    中断一个“已终止的线程”不会产生任何操作。

5.2 终止线程

    5.2.1 终止处于“阻塞状态”的线程

    通常,我们通过“中断”方式终止处于“阻塞状态”的线程。
当线程由于被调用了sleep(), wait(), join()等方法而进入阻塞状态;若此时调用线程的interrupt()将线程的中断标记设为true。由于处于阻塞状态,中断标记会被清除,同时产生一个InterruptedException异常。将InterruptedException放在适当的为止就能终止线程,形式如下:

@Override
public void run() {
    try {
        while (true) {
            // 执行任务...
        }
    } catch (InterruptedException ie) {  
        // 由于产生InterruptedException异常,退出while(true)循环,线程终止!
    }
}

说明:在while(true)中不断的执行任务,当线程处于阻塞状态时,调用线程的interrupt()产生InterruptedException中断。中断的捕获在while(true)之外,这样就退出了while(true)循环!
注意:对InterruptedException的捕获务一般放在while(true)循环体的外面,这样,在产生异常时就退出了while(true)循环。否则,InterruptedException在while(true)循环体之内,就需要额外的添加退出处理。形式如下:

@Override
public void run() {
    while (true) {
        try {
            // 执行任务...
        } catch (InterruptedException ie) {  
            // InterruptedException在while(true)循环体内。
            // 当线程产生了InterruptedException异常时,while(true)仍能继续运行!需要手动退出
            break;
        }
    }
}

    5.2.2 终止处于“运行状态”的线程

    通常,我们通过“标记”方式终止处于“运行状态”的线程。其中,包括“中断标记”和“额外添加标记”。
    (01) 通过“中断标记”终止线程。

@Override
public void run() {
    while (!isInterrupted()) {
        // 执行任务...
    }
}

说明:isInterrupted()是判断线程的中断标记是不是为true。当线程处于运行状态,并且我们需要终止它时;可以调用线程的interrupt()方法,使用线程的中断标记为true,即isInterrupted()会返回true。此时,就会退出while循环。
注意:interrupt()并不会终止处于“运行状态”的线程!它会将线程的中断标记设为true。

    (02) 通过“额外添加标记”终止线程

private volatile boolean flag= true;
protected void stopTask() {
    flag = false;
}

@Override
public void run() {
    while (flag) {
        // 执行任务...
    }
}

说明:线程中有一个flag标记,它的默认值是true;并且我们提供stopTask()来设置flag标记。当我们需要终止该线程时,调用该线程的stopTask()方法就可以让线程退出while循环。
注意:将flag定义为volatile类型,是为了保证flag的可见性。即其它线程通过stopTask()修改了flag之后,本线程能看到修改后的flag的值。

综合线程处于“阻塞状态”和“运行状态”的终止方式,比较通用的终止线程的形式如下:

@Override
public void run() {
    try {
        // 1. isInterrupted()保证,只要中断标记为true就终止线程。
        while (!isInterrupted()) {
            // 执行任务...
        }
    } catch (InterruptedException ie) {  
        // 2. InterruptedException异常保证,当InterruptedException异常产生时,线程被终止。
    }
}

5.3 终止线程示例

interrupt()常常被用来终止“阻塞状态”线程。参考下面示例:

// Demo1.java的源码
class MyThread extends Thread {
    
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        try {  
            int i=0;
            while (!isInterrupted()) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                i++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ("+this.getState()+") loop " + i);  
            }
        } catch (InterruptedException e) {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" ("+this.getState()+") catch InterruptedException.");  
        }
    }
}

public class Demo1 {

    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            Thread t1 = new MyThread("t1");  // 新建“线程t1”
            System.out.println(t1.getName() +" ("+t1.getState()+") is new.");  

            t1.start();                      // 启动“线程t1”
            System.out.println(t1.getName() +" ("+t1.getState()+") is started.");  

            // 主线程休眠300ms,然后主线程给t1发“中断”指令。
            Thread.sleep(300);
            t1.interrupt();
            System.out.println(t1.getName() +" ("+t1.getState()+") is interrupted.");

            // 主线程休眠300ms,然后查看t1的状态。
            Thread.sleep(300);
            System.out.println(t1.getName() +" ("+t1.getState()+") is interrupted now.");
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();
        }
    } 
}

运行结果:

t1 (NEW) is new.
t1 (RUNNABLE) is started.
t1 (RUNNABLE) loop 1
t1 (RUNNABLE) loop 2
t1 (TIMED_WAITING) is interrupted.
t1 (RUNNABLE) catch InterruptedException.
t1 (TERMINATED) is interrupted now.

结果说明
(01) 主线程main中通过new MyThread("t1")创建线程t1,之后通过t1.start()启动线程t1。
(02) t1启动之后,会不断的检查它的中断标记,如果中断标记为“false”;则休眠100ms。
(03) t1休眠之后,会切换到主线程main;主线程再次运行时,会执行t1.interrupt()中断线程t1。t1收到中断指令之后,会将t1的中断标记设置“false”,而且会抛出InterruptedException异常。在t1的run()方法中,是在循环体while之外捕获的异常;因此循环被终止。

6.总结

线程间同步机制以及中断机制就先探讨到这里,下面将有一个经典的生产-消费者问题来多线程的具体应用。

© 著作权归作者所有

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