Java多线程基础篇（04）-线程同步机制和线程间通信

摘要: 本章是大章，把多线程基础的东西都汇总到了这里。然后我们开启JUC的学习。说实话，这些基础的东西是我们经常用的，相信大多数开发者都了解。不再详述

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。