一直搞不懂Java线程通信，这次终于明白了
本文章收录于《Java并发编程》合集中，本篇来介绍线程间通信，线程间通信 使线程成为一个整体，提高系统之间的 交互性，在提高CPU利用率的同时可以对线程任务进行有效的把控与监督。
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比如：多线程之间交替执行，多线程按顺序执行等，都需要使用线程通信技术，通过本篇文章您可以获得：
什么是线程通信，有什么作用
线程通信的三种实现方式
notifyAll的虚假唤醒问题，notify死锁问题
通过 ReentrantLock 实现精确唤醒
多线程按顺序执行的四种方案
线程通信常见面试题解析
相信你还有更多方式实现线程通信？不妨评论区告诉我们吧，高频率码字不易，觉得文章不错记得点赞支持一下哦！
线程间通信
线程之间的交互我们称之为线程通信【Inter-Thread Communication，简称ITC】，指多个线程处理同一资源，但是任务不同
比如：小明放假在家，肚子饿了，如果发现没有吃的就会喊：妈，我饿了，弄点吃的，如果妈妈发现没有吃的了就会做菜，通知小明吃饭，总之：有菜通知小明吃饭，没菜小明通知妈妈做饭，简直吃货一个
此时就是两个线程对饭菜这同一资源有不同的任务，妈妈线程就是做饭，小明线程是吃饭，如果想要实现上边的场景，就需要妈妈线程和小明线程之间通信
要实现线程之间通信一般有三种方法：
- 使用Object对象锁的wait()、notify()和notifyAll()方法
- 使用Java5新增的JUC中的ReentrantLock结合Condition
- 使用JUC中的CountDownLatch【计数器】
对象锁wait和notifyAll方法实现
在此案例中，同一资源就是饭菜，小明对吃的操作是造，而妈妈对吃的操作是做
饭菜资源：
public class KitChenRoom {
// 是否有吃的
private boolean hasFood = false;
// 设置同步锁,做饭和吃饭只能同时有一个在执行，不能边做边吃
private Object lock = new Object();
// 做饭
public void cook() {
// 加锁
synchronized (lock) {
// 如果有吃的，就不做饭
if(hasFood) {
// 还有吃的，先不做饭
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 否则就做饭，
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了，给娃做饭！");
// 做好之后，修改为true
hasFood = true;
// 通知其他线程吃饭
lock.notifyAll();
}
}
// 吃饭
public void eat() {
synchronized (lock) {
// 如果没吃的，就喊妈妈做饭，暂时吃不了
if (!hasFood) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 否则就吃饭
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢老妈，恰饭，恰饭");
// 吃完之后，修改为false
hasFood = false;
// 通知其他线程吃饭
lock.notifyAll();
}
}
}测试类：
public class KitChenMain {
public static void main(String[] args) {
// 创建饭菜对象
KitChenRoom chenRoom = new KitChenRoom();
// 创建妈妈线程，做饭
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chenRoom.cook();
}
},"妈妈线程：").start();
// 创建小明线程，吃饭
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chenRoom.eat();
}
},"小明线程：").start();
}
}运行结果：发现两个线程交替执行，没饭的时候妈妈做饭，有饭的时候小明就恰饭
虚假唤醒
在wait方法的源码注释中有这么一段话：
As in the one argument version, interrupts and spurious wakeups are possible,
and this method should always be used in a loop
翻译：在单参数版本中，中断和虚假唤醒是可能的，并且该方法应始终在循环中使用
比如上边的 饭菜资源 代码中我们使用的是if判断是否有吃的
如果此时我们再开启一个大明线程吃饭，开启一个爸爸线程做饭，此时会发生什么问题呢
改造测试类：再开启一个大明线程和一个爸爸线程
public class KitChenMain {
public static void main(String[] args) {
KitChenRoom chenRoom = new KitChenRoom();
// 创建妈妈线程
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chenRoom.cook();
}
},"妈妈线程：").start();
// 创建小明线程
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chenRoom.eat();
}
},"小明线程：").start();
// 爸爸线程：做饭
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chenRoom.cook();
}
},"爸爸线程：").start();
// 大明线程：吃饭
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
chenRoom.eat();
}
},"大明线程：").start();
}
}运行结果：发现爸爸线程和妈妈线程连着做了三次饭
原因：
- 这是由于wait方法的机制导致的，wait方法会使线程阻塞，直到被唤醒之后才会运行，在哪里阻塞，再次被唤醒之后得到CPU执行权，就会在哪里继续运行
- 现在是4条线程，假设爸爸线程运行之后将 hasFood 改为true，此时爸爸线程就会唤醒其他线程，也就是妈妈线程和小明，大明线程都会被唤醒，如果此时妈妈线程获取到CPU时间片开始运行，判断 hasFood 为 true，那么就触发wait等待，等待之后就会释放CPU执行权，唤醒其他线程
- 如果此时爸爸线程又获取到CPU执行权，同样判断hasFood之后为true，就会进入等待，唤醒其他线程，如果此时CPU执行权又分配给了妈妈线程，因为之前已经经过了判断，就会在wait的地方，继续执行，就会触发给娃做饭，之后再唤醒其他线程
- 此时爸爸线程得到CPU时间片，则会在上次wait的地方继续执行，同样的给娃做饭，就会出现上图的效果，爸妈线程交替做饭
解决：将if替换为while，while语句块每次执行完之后都会重新判断，知道条件不成立才会结束循环，即可解决
public class KitChenRoom {
private boolean hasFood = false;
private Object lock = new Object();
public void cook() {
// 加锁
synchronized (lock) {
// 将if替换为while
while(hasFood) {
// 还有吃的，先不做饭
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 否则就做饭，
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了，给娃做饭！");
// 做好之后，修改为true
hasFood = true;
// 通知其他线程吃饭
lock.notifyAll();
}
}
// 吃饭
public void eat() {
synchronized (lock) {
// 将if替换为while
while (!hasFood) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 否则就吃饭
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢老妈，恰饭，恰饭");
// 吃完之后，修改为false
hasFood = false;
// 通知其他线程吃饭
lock.notifyAll();
}
}
}运行结果：发现做饭和吃饭交替执行
为什么使用while就能解决呢？其实就是 if和while的区别
由于在多线程内容中，有很多小伙伴犯迷，为什么用while就解决了，其实是思路没有打开，把以前学的东西都忘记了，满脑子都是多线程的东西，你说是不是！学习要融会贯通，将前后所有的知识点串起来
解决虚假唤醒非常简单，其实就是利用了while的特性，while体每次执行都会循环再次判断条件，直到条件不成立跳出循环，在这也是一样：
- 妈妈线程执行发现hasFood = true，就进入等待，再次得到cpu时间片执行时，在哪里等待就在哪里醒来继续执行，也就是再lock.wait()的地方继续执行
- 由于该代码在while循环中，会循环判断，如果hasFood = true继续wait，如果hasFood = false就跳出循环，执行循环体之外的代码
- 但是如果是if，就只会判断一次，醒来之后不会再次判断，因为lock.wait()代码已经执行过了，会直接向下执行，开始给娃做饭
notify和notifyAll
上边我们使用notifyAll唤醒了所有线程，如果将notifyAll替换为notify会发生什么？
public class KitChenRoom {
private boolean hasFood = false;
private Object lock = new Object();
public void cook() {
synchronized (lock) {
while (hasFood) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了，给娃做饭！");
hasFood = true;
// // 替换为notify
lock.notify();
}
}
public void eat() {
synchronized (lock) {
while (!hasFood) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
hasFood = false;
// 替换为notify
lock.notify();
}
}
}运行结果：运行三次，发现前两次程序卡住不动，产生死锁，第三次正常执行完
在解释这个原因之前先搞清楚 锁池 和 等待池 两个概念：
- 锁池：假设线程A已经拥有了某个对象的锁【注意:不是类】，而其它的线程想要调用这个对象的某个synchronized方法【或者synchronized块】，由于这些线程在进入对象的synchronized方法之前必须先获得该对象的锁的拥有权，但是该对象的锁目前正被线程A拥有，所以这些线程就进入了该对象的锁池中。
- 等待池：假设一个线程A调用了某个对象的wait()方法，线程A就会释放该对象的锁，之后进入到了该对象的等待池中
对象锁：任何一个对象都可以被当做锁，所以称为对象锁，比如下方代码lock1和lock2就是两把对象锁，都有自己独立的锁池和等待池
- 调用 lock1.wait() 就是该线程进入到lock1对象锁的等待池中
- lock1.notify()就是唤醒lock1对象锁的等待池中的随机一个等待线程，lock1.notifyAll(); 就是唤醒该等待池中所有等待线程
- lock1的锁池和等待池与lock2是独立的，互不影响，并不会唤醒彼此等待池中的线程
// 锁1
private Object lock1 = new Object();
// 锁2
private Object lock2 = new Object();
public void cook() {
// 使用lock1对象锁
synchronized (lock1) {
lock1.wait();
}
lock1.notify();
}
调用wait、notify、notifyAll之后线程变化：
- 如果线程调用了对象的wait()方法，那么线程便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。
- 当有线程调用了对象的notifyAll()方法【唤醒所有该对象等待池中的 wait 线程】或 notify()方法【只随机唤醒一个该对象等待池中的 wait 线程】，被唤醒的的线程便会进入该对象的锁池中，锁池中的线程会去竞争该对象锁。也就是说，调用了notify后只要一个线程会由等待池进入锁池，而notifyAll会将该对象等待池内的所有线程移动到锁池中，等待锁竞争
- 优先级高的线程竞争到对象锁的概率大，假若某线程没有竞争到该对象锁，它还会留在锁池中，唯有线程再次调用wait()方法，它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行，直到执行完了 synchronized 代码块，它会释放掉该对象锁，这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁。
为什么会死锁呢？
KitChenRoom中有 cook 和 eat 两个方法都是有同步代码块，并且进入while之后就会调用lock对象锁的wait方法，所以多个调用过cook和eat方法的线程就会进入等待池处于阻塞状态，等待一个正在运行的线程来唤醒它们。下面分别分析一下使用notify和notifyAll方法唤醒线程的不同之处：
- 使用notify：notify方法只能唤醒一个线程，其它等待的线程仍然处于wait状态，假设调用cook方法的线程执行完后，所有的线程都处于等待状态，此时又执行了notify方法，这时如果唤醒的仍然是一个调用cook方法的线程【比如爸爸线程 将 妈妈线程唤醒】，那么while循环等于true，则此唤醒的线程【妈妈线程】就会调用wait方法，也会处于等待状态，而且没有唤醒其他线程，那就芭比Q了，此时所有的线程都处于等待状态，就发生了死锁。
- 使用notifyAll：可以唤醒所有正在等待该锁的线程，那么所有的线程都会处于运行前的准备状态（就是cook方法执行完后，唤醒了所有等待该锁的线程），那么此时，即使再次唤醒一个调用cook方法的线程，while循环等于true，唤醒的线程再次处于等待状态，那么还会有其它的线程可以获得锁，进入运行状态。
解决wait死锁的两种方案：
- 通过调用notifyAll唤醒所有等待线程
- 调用 wait(long timeout) 重载方法，设置等待超时时长，在指定时间内还没被唤醒则自动醒来
下边仍然是调用 notify 唤醒等待池中的一个线程，但是调用wait(long timeout) 超时等待方法，让线程进入等待状态
public class KitChenRoom {
private boolean hasFood = false;
private Object lock = new Object();
public void cook() {
synchronized (lock) {
while (hasFood) {
try {
// 超时等待 2 秒
lock.wait(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没吃的了，给娃做饭！");
hasFood = true;
lock.notify();
}
}
public void eat() {
synchronized (lock) {
while (!hasFood) {
try {
// 超时等待 2 秒
lock.wait(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢老妈，恰饭，恰饭");
hasFood = false;
lock.notify();
}
}
}运行结果：运行三次发现，第一次程序陷入了两次等待2秒之后程序继续执行，这就是超时自动唤醒，避免了死锁
总结：
- notify方法很容易引起死锁，除非你根据自己的程序设计，确定不会发生死锁，notifyAll方法则是线程的安全唤醒方法
- 如果程序允许超时唤醒，则可以使用wait(long timeout)方法
- wait(long timeout,int nanou)：与 wait(long timeout)相同，不过提供了纳秒级别的更精确的超时控制
ReentrantLock结合Condition
Condition是JDK1.5新增的接口，在java.util.concurrent.locks 包中，提供了类似的Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，方法作用在下方源码中已简单注释，想要查看详细说明，强烈建议看源码，通过翻译软件翻译一下就行！
package java.util.concurrent.locks;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.Date;
public interface Condition {
//使当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
void await() throws InterruptedException;
// 使当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】。
void awaitUninterruptibly();
// 使当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
// 返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
// 使当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 使当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
// 唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
void signal();
// 唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁
void signalAll();
}
在此我们通过经典的生产者消费者案例说一下Condition实现线程通信，多几种案例思维更宽阔，多样化理解对技术刺激更大
案例：有一个快递点，可以接货和送货，最多存放5个包裹，再放就提示包裹已满，派件时包裹送完就不能再送，提示没有包裹，不能派送
快递点：
package com.stt.thread.communication;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 快递点：
* goodsNumber: 快递数量，默认为0，最多5个，保障原子性使用 AtomicInteger
* receiving() : 收货方法，累加货物数量，每次 + 1
* dispatch() : 派送方法，递减数量，每次 - 1
* 注意：因为使用 Condition 实现，Condition 需要通过 ReentrantLock 获取，
* 所以可以使用 ReentrantLock实现同步就不需要 synchronized
*/
public class ExpressPoint {
// 快递数量，使用原子类
private AtomicInteger goodsNumber = new AtomicInteger();
// 锁对象
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 创建线程通信对象
private Condition condition = lock.newCondition();
// 收货方法，使用Lock锁，就不需要synchronized同步了
public void receiving() {
// 上锁
lock.lock();
// 写try...finally，保障无论是否发生异常都可以解锁，避免死锁
try {
// 如果达到5个，就提示，并且等待
while (goodsNumber.get() == 5) {
System.out.println("库房已满，已不能再接收！");
// 等待，有异常抛出
condition.await();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已收到编号：" + goodsNumber.incrementAndGet() + "的包裹");
// 唤醒其他线程
condition.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
// 派送方法
public void dispatch() {
// 上锁
lock.lock();
try {
// 等于0就不能再派送
while (goodsNumber.get() == 0) {
System.out.println("没有包裹，不能派送！");
condition.await();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已送出编号：" + goodsNumber.get() + "的包裹");
goodsNumber.decrementAndGet();
condition.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
}
测试类：通过while死循环，不断接货和送货
public class ExpressPointMain {
public static void main(String[] args) {
ExpressPoint expressPoint = new ExpressPoint();
// 收货线程
new Thread(() -> {
while (true){
expressPoint.receiving();
}
},"收货员").start();
// 送货线程
new Thread(() -> {
while (true){
expressPoint.dispatch();
}
},"送货员").start();
}
}运行结果：发现收货员线程和送货员线程交替执行，并且库存满和送完之后都有对应的提示
总结：在Condition中，用await()替换wait()，用signal()替换 notify()，用signalAll()替换notifyAll()，对于我们以前使用传统的Object方法，Condition都能够给予实现
Condition 精准唤醒
不同的 Condition 可以用来等待和唤醒不同的线程，类似于上边我们说的等待池，但是Condition是通过队列实现等待和唤醒，Condition的await()方法，会使得当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()返回时，当前线程一定是获取了Condition相关联的锁。Condition实现方式在后边我们再分析
上边调用await 和 signalAll方法是控制所有该Condition对象的线程，我们有两个线程分别为收货和送货，我们可以创建两个Condition对象来精准控制等待和唤醒收货和送货线程。
package com.stt.thread.communication;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
定义两个 Condition 对象，一个控制收货线程等待和唤醒，一个控制送货线程的等待和唤醒
*/
public class ExpressPoint {
// 快递数量，使用原子类
private AtomicInteger goodsNumber = new AtomicInteger();
// 锁对象
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 创建线程通信对象
private Condition receivingCondition = lock.newCondition();
private Condition dispatchCondition = lock.newCondition();
// 收货方法，使用Lock锁，就不需要synchronized同步了
public void receiving() {
// 上锁
lock.lock();
// 写try...finally，保障无论是否发生异常都可以解锁，避免死锁
try {
// 判断是否继续接货
while (goodsNumber.get() == 5) {
System.out.println("库房已满，已不能再接收！");
// 让收货线程进入等待
receivingCondition.await();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已收到编号：" + goodsNumber.incrementAndGet() + "的包裹");
// 仅仅唤醒送货线程
dispatchCondition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
// 派送方法
public void dispatch() {
// 上锁
lock.lock();
try {
// 判断是否继续送货
while (goodsNumber.get() == 0) {
System.out.println("没有包裹，不能派送！");
// 送货线程等待
dispatchCondition.await();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已送出编号：" + goodsNumber.get() + "的包裹");
goodsNumber.decrementAndGet();
// 唤醒收货线程
receivingCondition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
}
运行结果：运行结果是一样的，只是仅仅会让对应的线程等待和唤醒
Condition实现分析
等待队列
Conditiont的等待队列是一个FIFO队列，队列的每个节点都是等待在Condition对象上的线程的引用，该线程就是在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了Condition.await()，那么该线程就会释放锁，构成节点加入等待队列并进入等待状态。
从下图可以看出来Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter指向它，并更新尾节点即可。上述节点引用更新过程没有使用CAS机制，因为在调用await()的线程必定是获取了锁的线程，该过程由锁保证线程的安全。
一个Lock（同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列：
如上边的例子：就是拥有receivingCondition 和 dispatchCondition两个等待队列
private Condition receivingCondition = lock.newCondition();
private Condition dispatchCondition = lock.newCondition();
等待
调用Condition的await()方法，会使得当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()返回时，当前线程一定是获取了Condition相关联的锁。
线程触发await()这个过程可以看作是同步队列的首节点【当前线程肯定是成功获得了锁，才会执行await方法，因此一定是在同步队列的首节点】移动到了Condition的等待队列的尾节点，并释放同步状态进入等待状态，同时会唤醒同步队列的后继节点
唤醒
- 调用signal()：会唤醒再等待队列中的首节点，该节点也是到目前为止等待时间最长的节点
- 调用signalAll()：将等待队列中的所有节点全部唤醒，相当于将等待队列中的每一个节点都执行一次signal()
CountDownLatch
Java5之后在 java.util.concurrent 也就是【JUC】包中提供了很多并发编程的工具类，如 CountDownLatch 计数器是基于 AQS 框架实现的多个线程之间维护共享变量的类
使用场景
可以通过 CountDownLatch 使当前线程阻塞，等待其他线程完成给定任务，比如，等待线程完成下载任务之后，提示用户下载完成；导游等待所有游客参观完之后去下一个景点等
使
网页名称：一直搞不懂Java线程通信，这次终于明白了
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