Java中的线程通信详解
在多线程编程中，线程之间的通信是一个重要且复杂的主题。为了确保多线程程序的正确性和效率，线程需要能够互相通信并协调工作。Java 提供了多种方式来实现线程间的通信，如 wait()、notify()、notifyAll() 方法，以及更高级的并发工具类。本文将详细介绍 Java 中的线程通信，涵盖基本概念、常用方法和具体代码示例。
一、基本概念
线程通信是指线程之间通过某种机制传递信息，以协调它们之间的行为。Java 中提供了内置的线程通信机制，包括 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法，这些方法都是 Object 类的一部分，每个对象都可以作为线程通信的锁。
二、wait()、notify()和notifyAll()方法
wait()方法
wait() 方法使当前线程进入等待状态，直到其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒它。该方法必须在同步块或同步方法中调用，否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。
notify()方法
notify() 方法唤醒一个正在等待该对象监视器的线程。如果有多个线程在等待，则选择其中一个线程唤醒。被唤醒的线程在获取对象的监视器后，才能继续执行。
notifyAll()方法
notifyAll() 方法唤醒所有正在等待该对象监视器的线程。被唤醒的线程在获取对象的监视器后，才能继续执行。
三、代码示例
以下示例演示了如何使用 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法进行线程通信。
1. 生产者-消费者模型
package cn.juwatech.threads;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
public class ProducerConsumerExample {
private static final int CAPACITY = 5;
private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
private final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) {
ProducerConsumerExample example = new ProducerConsumerExample();
Thread producerThread = new Thread(example.new Producer());
Thread consumerThread = new Thread(example.new Consumer());
producerThread.start();
consumerThread.start();
}
class Producer implements Runnable {
@Override
public void run() {
int value = 0;
while (true) {
synchronized (lock) {
while (queue.size() == CAPACITY) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
queue.offer(value);
System.out.println("Produced: " + value);
value++;
lock.notify();
}
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (lock) {
while (queue.isEmpty()) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
int value = queue.poll();
System.out.println("Consumed: " + value);
lock.notify();
}
}
}
}
}
在这个示例中，生产者线程生成整数并将其放入队列中，而消费者线程从队列中取出整数并进行消费。wait() 和 notify() 方法用于协调生产者和消费者之间的工作。
四、使用更高级的并发工具类
Java 提供了更高级的并发工具类，如 BlockingQueue、Semaphore、CountDownLatch 和 CyclicBarrier，它们简化了线程间的通信和同步。
1. 使用 BlockingQueue 实现生产者-消费者模型
package cn.juwatech.threads;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class BlockingQueueExample {
private static final int CAPACITY = 5;
private final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(CAPACITY);
public static void main(String[] args) {
BlockingQueueExample example = new BlockingQueueExample();
Thread producerThread = new Thread(example.new Producer());
Thread consumerThread = new Thread(example.new Consumer());
producerThread.start();
consumerThread.start();
}
class Producer implements Runnable {
@Override
public void run() {
int value = 0;
while (true) {
try {
queue.put(value);
System.out.println("Produced: " + value);
value++;
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
int value = queue.take();
System.out.println("Consumed: " + value);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
}
}
在这个示例中，BlockingQueue 处理了同步和通信逻辑，使得代码更加简洁和易于理解。
2. 使用 Semaphore 控制线程访问
Semaphore 是一种计数信号量，用于控制同时访问特定资源的线程数量。
package cn.juwatech.threads;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class SemaphoreExample {
private static final int PERMITS = 3;
private final Semaphore semaphore = new Semaphore(PERMITS);
public static void main(String[] args) {
SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(example.new Worker(i)).start();
}
}
class Worker implements Runnable {
private final int workerId;
Worker(int workerId) {
this.workerId = workerId;
}
@Override
public void run() {
try {
semaphore.acquire();
System.out.println("Worker " + workerId + " is working...");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Worker " + workerId + " finished working.");
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
semaphore.release();
}
}
}
}
在这个示例中，Semaphore 控制同时最多只有三个线程可以访问资源，其余线程必须等待。
五、线程通信的最佳实践
- 避免忙等待：使用
wait()、notify()、notifyAll()或并发工具类避免忙等待，提高效率。 - 适当使用锁和同步：确保共享资源的安全访问，避免死锁。
- 选择合适的并发工具类：根据具体需求选择合适的并发工具类，简化线程通信和同步逻辑。
通过以上内容，我们详细介绍了 Java 中的线程通信机制，包括基本概念、常用方法及其具体代码示例，并探讨了使用更高级的并发工具类实现线程通信的方法。掌握这些知识，能够帮助我们编写出更加高效和可靠的多线程程序。
