07、Java多线程：线程间通信
6.1 等待/通知机制
概念：A线程在运行时需要某个地址中的值，但是该地址还没有值，所以A等待。当B线程往该地址处写入了值后，B线程通知A线程，于是A线程继续执行。上面这样的一个过程就是等待/通知机制。
实现：
Object类中的wait()方法，可以使执行当前代码的线程等待，暂停执行。直到接到通知或被中断为止。注意：wait()方法只能在同步代码块中由锁对象调用，且调用wait()方法后，当前线程会释放锁。
Object类的notify()方法可以唤醒处于等待的线程，该方法也必须在同步代码块中由锁对象调用。如果有多个等待的线程，notify()只能唤醒其中一个，具体唤醒哪一个是不知道的。被notify()的线程需要重新去竞争锁才能被执行。
没有使用锁对象就调用wait()/notify()方法会产生异常：IllegalMonitorStateException。
wait()代码实例：
package wait;
public class Test01 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
String test = "abc";
String another = "def";
System.out.println("同步代码块前的代码");
synchronized (test) {
try {
System.out.println("wait前的代码");
// another.wait(); 只有被锁住的对象才能调用wait()方法
test.wait();
System.out.println("wait后的代码");
} catch (IllegalMonitorStateException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("同步代码块后的代码");
}
}
wait()/notify()代码示例：
package wait;
/**
* 需要通过notify唤醒线程
*/
public class Test02 {
public static void main(String[] args) {
String str = "wa";
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (str) {
System.out.println("线程1开始等待");
try {
str.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程1被唤醒并执行结束了");
}
}
}, "Thread1");
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (str) {
System.out.println("线程2唤醒线程1");
str.notify();
}
}
}, "Thread2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
执行了notify()的线程并不会立即释放锁，而是执行完同步代码块的所有代码后才会释放锁
interrupt()方法会中断wait()：
当线程调用wait()处于等待状态时，调用线程对象的interrupt()方法会中断线程的等待状态，产生InterruptedException异常。
package wait;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* interrupt()会中断线程的wait状态
*/
public class Test04 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SubThread subThread = new SubThread();
subThread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
subThread.interrupt();
}
private static final Object lock = new Object();
static class SubThread extends Thread {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println("subThread wait");
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("wait等待被中断了");
}
System.out.println("subThread end wait");
}
}
}
}
notify()和notifyAll()的区别：
notify()只能唤醒一个线程，如果有多个线程处于等待状态，那么只能会有一个会被唤醒。notifyAll()可以唤醒所有等待的线程。
wait(long)的使用：
如果在指定时间内没有被唤醒，那么线程会自动唤醒。
package wait;
public class Test06 {
public static void main(String[] args) {
SubThread subThread = new SubThread();
subThread.start();
}
static final Object lock = new Object();
static class SubThread extends Thread{
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
System.out.println("开始等待");
lock.wait(5000);
System.out.println("等待结束");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
6.2 生产者-消费者模式
在Java中，负责生产数据的是生产者，负责使用数据的是消费者。没有数据时，消费者等待；数据满时，生产者等待。
package producerdata;
public class ValueOP {
private String value = "";
//定义方法修改value字段的值
public void setValue() throws InterruptedException {
//如果value不是空串
synchronized (this) {
while(!value.equalsIgnoreCase("")) {
this.wait();
}
//是空串
value = System.currentTimeMillis() + "";
System.out.println("setValue设置的值是：" + value);
this.notify();
}
}
//定义方法读取字段值
public String getValue() throws InterruptedException {
synchronized (this) {
while(value.equalsIgnoreCase("")) {
this.wait();
}
//不是空串，读取值
System.out.println("value的值是：" + value);
value = "";
this.notify();
}
return value;
}
}
假设只有一个生产者和消费者：那么生产者和消费者将按顺序执行。
如果有多个生产者和消费者，那么可能出现假死现象：
1、 一个消费者唤醒了一个生产者，但是在这个生产者拿到锁之前，另一个消费者抢先拿到了锁；
2、 三个生产者全部等待，某个消费者唤醒的不是生产者，而是另一个消费者；
解决上述假死现象的方法是：将notify()改成notifyAll()，保证消费者唤醒了生产者，生产者唤醒了消费者。
操作栈：
package producerstack;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
public class MyStack {
private List<Integer> list = new ArrayList<>();
private static final int MAX_SIZE = 2;
//定义方法模拟入栈
public synchronized void push(int value) throws InterruptedException {
//当栈中的数据已满，等待
while(list.size() >= MAX_SIZE) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin wait...");
this.wait();
}
list.add(value);
this.notifyAll();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "添加了数据：" + value);
}
//定义方法模拟出栈
public synchronized void pop() throws InterruptedException {
//当栈中的数据为空，等待
while(list.size() == 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin wait...");
this.wait();
}
this.notifyAll();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了数据：" + list.remove(0));
}
}
6.3 通过管道实现线程间通信
Java.io包的PipeStream管道流用于在线程之间传递数据，一个线程通过管道输出数据，另一个线程从管道中输入数据。相关类包括PipedInputStream、PipedOutputStream、PipedReader和PipedWriter。
package pipeStream;
import java.io.IOException;
import java.io.PipedInputStream;
import java.io.PipedOutputStream;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
/**
* 使用PipedInputStream和PipedOutputStream在线程间传递字节流
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//定义管道字节流
PipedInputStream in = new PipedInputStream();
PipedOutputStream out = new PipedOutputStream();
//建立管道之间的关系
in.connect(out);
//创建两个线程，分别往管道里写数据，和读数据
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
writeData(out);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread1").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
readData(in);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread2").start();
}
//向管道流中写入数据
public static void writeData(PipedOutputStream out) throws IOException {
//分别把0～100的数据写入管道
try {
for(int i = 0; i <= 10000; i++) {
out.write(("" + i).getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); //把字节数组写入到输出管道流中
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
out.close();
}
}
//从管道流中读取数据
public static void readData(PipedInputStream in) throws IOException {
int count = 0;
byte[] bytes = new byte[1024];
int len = 0;
try {
while((len = in.read(bytes)) != -1) {
System.out.println(new String(bytes, 0, len));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
in.close();
}
}
}
6.4 ThreadLocal
除了控制资源的访问外，还可以通过增加资源来保证线程安全。ThreadLocal主要解决为每个线程绑定自己的值的问题。
在以下这个代码示例中我们发现，如果多个线程共用一个SimpleDateFormat对象的话，实际运行下来会出现问题。但是通过ThreadLocal，我们为每个线程分别创建了一个SimpleDateFormat，就不会出现什么问题了。
package threadlocal;
import sun.java2d.pipe.SpanShapeRenderer;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
/**
* 在多线程环境中，将字符串转换为日期对象。发现多个线程使用同一个SimpleDateFormat对象产生了线程安全问题，有的线程报了错误
*/
public class Test2 {
//定义SimpleDataFoemat对象，可以将字符串转换为日期
//发现多个线程使用同一个SimpleDateFormat对象，会产生线程安全问题
// private static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy年MM月dd日 HH:mm:ss");
//使用ThreadLocal，为每个线程创建一个SimpleDateFormat
static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal = new ThreadLocal<>();
//定义Runnable接口的实现类
static class ParseDate implements Runnable {
private int i = 0;
public ParseDate(int i) {
this.i = i;
}
@Override
public void run() {
String text = "2068年11月22日 08:22:" + i % 60; //构建日期字符串
try {
if(threadLocal.get() == null) {
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy年MM月dd日 HH:mm:ss");
threadLocal.set(sdf);
}
SimpleDateFormat sdf = threadLocal.get();
Date date = sdf.parse(text);
System.out.println(i + "--" + date);
} catch (ParseException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//创建100个线程
for(int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(new ParseDate(i)).start();
}
}
}
ThreadLocal指定初始值：
定义ThreadLocal的子类，在子类中重写initialValue()方法指定初始值
package threadlocal;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
*
* ThreadLocal初始值
*/
public class Test3 {
static class SubThreadLocal extends ThreadLocal<Date> {
@Override
protected Date initialValue() {
return new Date();
}
}
//定义ThreadLocal对象
static ThreadLocal<Date> threadLocal = new SubThreadLocal();
//定义线程类
static class SubThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for(int i = 0; i < 10; i++) {
//第一次调用threadLocal的get方法，会返回null
System.out.println("----" + Thread.currentThread().getName() + " value = " + threadLocal.get());
if(threadLocal.get() == null) {
System.out.println("-------");
threadLocal.set(new Date());
}
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SubThread t1 = new SubThread();
t1.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
SubThread t2 = new SubThread();
t2.start();
}
}