Java并发编程(04)：线程间通信，等待/通知机制
一、概念简介
1、线程通信
在操作系统中，线程是个独立的个体，但是在线程执行过程中，如果处理同一个业务逻辑，可能会产生资源争抢，导致并发问题，通常使用互斥锁来控制该逻辑。但是在还有这样一类场景，任务执行是有顺序控制的，例如常见的报表数据生成：
- 启动数据分析任务，生成报表数据；
- 报表数据存入指定位置数据容器；
- 通知数据搬运任务，把数据写入报表库；
该场景在相对复杂的系统中非常常见，如果基于多线程来描述该过程，则需要线程之间通信协作，才能有条不紊的处理该场景业务。
2、等待通知机制
如上的业务场景，如果线程A生成数据过程中，线程B一直在访问数据容器，判断该过程的数据是否已经生成，则会造成资源浪费。正常的流程应该如图，线程A和线程B同时启动，线程A开始处理数据生成任务，线程B尝试获取容器数据，数据还没过来，线程B则进入等待状态，当线程A的任务处理完成，则通知线程B去容器中获取数据，这样基于线程等待和通知的机制来协作完成任务。
3、基础方法
等待/通知机制的相关方法是Java中Object层级的基础方法，任何对象都有该方法：
- notify：随机通知一个在该对象上等待的线程，使其结束wait状态返回；
- notifyAll：唤醒在该对象上所有等待的线程，进入对象锁争抢队列中；
- wait：线程进入waiting等待状态，不会争抢锁对象，也可以设置等待时间；
线程的等待通知机制，就是基于这几个基础方法。
二、等待通知原理
1、基本原理
等待/通知机制，该模式下指线程A在不满足任务执行的情况下调用对象wait()方法进入等待状态，线程B修改了线程A的执行条件，并调用对象notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从wait状态返回，进而执行后续操作。两个线程通过基于对象提供的wait()/notify()/notifyAll()等方法完成等待和通知间交互，提高程序的可伸缩性。
2、实现案例
通过线程通信解决上述数据生成和存储任务的解耦流程。
public class NotifyThread01 {
static Object lock = new Object() ;
static volatile List<String> dataList = new ArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread saveThread = new Thread(new SaveData(),"SaveData");
saveThread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
Thread dataThread = new Thread(new AnalyData(),"AnalyData");
dataThread.start();
}
// 等待数据生成，保存
static class SaveData implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
while (dataList.size()==0){
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"等待...");
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("SaveData .."+ dataList.get(0)+dataList.get(1));
}
}
}
// 生成数据，通知保存
static class AnalyData implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
dataList.add("hello,");
dataList.add("java");
lock.notify();
System.out.println("AnalyData End...");
}
}
}
}注意：除了dataList满足写条件，还要在AnalyData线程执行通知操作。
三、管道流通信
1、管道流简介
基本概念
管道流主要用于在不同线程间直接传送数据，一个线程发送数据到输出管道，另一个线程从输入管道中读取数据，进而实现不同线程间的通信。
实现分类
管道字节流：PipedInputStream和PipedOutputStream；
管道字符流：PipedWriter和PipedReader；
新IO管道流：Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel；
2、使用案例
public class NotifyThread02 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
PipedInputStream pis = new PipedInputStream();
PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();
// 链接输入流和输出流
pos.connect(pis);
// 写数据线程
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
// 将从键盘读取的数据写入管道流
PrintStream ps = new PrintStream(pos);
while (true) {
try {
System.out.print(Thread.currentThread().getName());
ps.println(br.readLine());
Thread.sleep(1000);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}, "输入数据线程：").start();
// 读数据线程
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(pis));
while (true) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + br.readLine());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}, "输出数据线程：").start();
}
}写线程向管道流写入数据，读线程读取数据，完成基本通信流程。
四、生产消费模式
1、业务场景
基于线程等待通知机制：实现工厂生产一件商品，通知商店卖出一件商品的业务流程。
2、代码实现
public class NotifyThread03 {
public static void main(String[] args) {
Product product = new Product();
ProductFactory productFactory = new ProductFactory(product);
ProductShop productShop = new ProductShop(product);
productFactory.start();
productShop.start();
}
}
// 产品
class Product {
public String name ;
public double price ;
// 产品是否生产完毕,默认没有
boolean flag ;
}
// 产品工厂：生产
class ProductFactory extends Thread {
Product product ;
public ProductFactory (Product product){
this.product = product;
}
@Override
public void run() {
int i = 0 ;
while (i < 20) {
synchronized (product) {
if (!product.flag){
if (i%2 == 0){
product.name = "鼠标";
product.price = 79.99;
} else {
product.name = "键盘";
product.price = 89.99;
}
System.out.println("产品："+product.name+"【价格："+product.price+"】出厂...");
product.flag = true ;
i++;
// 通知消费者
product.notifyAll();
} else {
try {
// 进入等待状态
product.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
}
// 产品商店：销售
class ProductShop extends Thread {
Product product ;
public ProductShop (Product product){
this.product = product ;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (product) {
if (product.flag == true ){
System.out.println("产品:"+product.name+"【价格"+(product.price*2)+"】卖出...");
product.flag = false ;
product.notifyAll(); //唤醒生产者
} else {
try {
product.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
}流程描述：ProductFactory生成一件商品，通知商店售卖，通过flag标识判断控制是否进入等待状态，商店卖出商品后，再次通知工厂生产商品。
五、源代码地址
GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent
