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总结:实现线程同步的八种方式,线程同步和互斥几种实现方法

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总结:实现线程同步的八种方式,线程同步和互斥几种实现方法


前言:

在多线程中线程的执行顺序是依靠哪个线程先获得到CUP的执行权谁就先执行,虽然说可以通过线程的优先权进行设置,但是他只是获取CUP执行权的概率高点,但是也不一定必须先执行。在这种情况下如何保证线程按照一定的顺序进行执行,今天就来一个大总结,分别介绍一下几种方式。
一、通过Object的wait和notify
二、通过Condition的awiat和signal
三、通过一个阻塞队列
四、通过两个阻塞队列
五、通过SynchronousQueue 
六、通过线程池的Callback回调
七、通过同步辅助类CountDownLatch
八、通过同步辅助类CyclicBarrier

一、通过Object的wait和notify

写一个测试了Test,加上main方法,在写一个内部类Man进行测试。main方法如下,他进行创建两个线程,传进去Runnable对象。

public static boolean flag = false;

public static int num = 0;

public static void main(String[] args) {
    Man man = new Man();

    new Thread(() -> {
        man.getRunnable1();
    }).start();
    new Thread(() -> {
        man.getRunnable2();
    }).start();
}

getRunnable1和getRunnable2分别表示两个需要执行的任务,在两个线程中进行,方法1用于数据的生产,方法二用于数据的获取,数据的初始值为num = 0,为了保证生产和获取平衡需要使用wait和notify方法,这两个方法的使用必须是要加锁的,因此使用synchronized进行加锁使用,为了演示这个效果,我们加上一个sleep方法模拟处理时间,如下:

public static class Man {
    
    public synchronized void getRunnable1() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            while (flag) {
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("生产出:" + (++num) + "个");
            flag = true;
            notify();
        }
    }
    
    public synchronized void getRunnable2() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            while (!flag) {
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            //模拟加载时间
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("取出出:" + (num--) + "个");
            System.out.println("------------------");

            flag = false;
            notify();
        }
    }
}

分析它的加载流程,从方法1进行分析,由于flag的初始条件为false,所以方法1不进入等待,直接进行生产,生产完成成之后,更新flag的值为true,同时notify下一个方法2的wait方法,使其变为唤醒状态。这时候由于方法1加锁了,无法执行方法1其他部分,当方法1执行完毕,方法1才有可能执行,但是方法1的flag已经为true,进入到wait里面又处于阻塞状态,所以这时候只能执行方法2了。由于方法2被唤醒了,阻塞解除,接下来就获取数据,当获取完毕又再次让flag变为false,notify方法1解除阻塞,再次执行方法1,就这样不断的循环,保证了不同线程的有序执行,直到程序终止。

运行效果如下:

二、通过Condition的awiat和signal

上面第一个的实现是一个阻塞,一个等待的方式保证线程有序的执行,但是不能进行两个线程之间进行通信,而接下来介绍的Condition就具备这样的功能。要获取Condition对象首先先得获取Lock对象,他是在jdk1.5之后增加的,比synchronized性能更好的一种锁机制。和上面的类似,拷贝一份代码,看看main方法:

public static boolean flag = false;

public static int num = 0;

public static void main(String[] args) {
    Man man = new Man();

    new Thread(() -> {
        man.getRunnable1();
    }).start();
    new Thread(() -> {
        man.getRunnable2();
    }).start();
}

情况和第一个实现方法分析一致,这里不重复了。主要看内部类Man中的方法1和方法2。先手创建锁对象,把synchronized改为使用Lock加锁,其次通过Lock创建Condition对象,替换掉Object类的wait方法为Condition的await方法,最后换掉notify方法为signal方法即可,执行原理和上面分析一致,代码如下:

public static class Man {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static Condition condition = lock.newCondition();

    public void getRunnable1() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                while (flag) {
                    try {
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("生产出:" + (++num) + "个");
                flag = true;
                condition.signal();
            }
        } finally {
            lock.lock();
        }
    }

    public void getRunnable2() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                while (!flag) {
                    try {
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("取出出:" + (num--) + "个");
                System.out.println("------------------");
                flag = false;
                condition.signal();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

执行结果如下:

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三、通过一个阻塞队列

上面的两个方法实现起来代码比较繁琐,如果通过阻塞队列来实现会更加简洁,这里采用常用的容量为64的ArrayBlockingQueue来实现。main方法如下:

public static void main(String[] args) {
    Man man = new Man();

    new Thread(() -> {
        man.getRunnable1();
    }).start();
    new Thread(() -> {
        man.getRunnable2();
    }).start();
}

主要来看Man中的方法1和方法2,方法1中生产数据,这里把生产的数据存进队列里面,同时方法2进行取数据,如果方法1放满了或者方法2取完了就会被阻塞住,等待方法1生产好了或者方法2取出了,然后再进行。代码如下:

public static class Man {

    ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(64);

    public void getRunnable1() {
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            System.out.println("生产出:" + i + "个");
            try {
                queue.put(i);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("---------------生产完毕-----------------");
    }

    public void getRunnable2() {
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            try {
                int num = (int) queue.take();
                System.out.println("取出出:" + num);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

很明显使用阻塞队列代码精炼了很多,在这还可以发现这个阻塞队列是具有缓存功能的,想很多Android中网络访问框架内部就是使用这个进行缓存的,例如Volley、Okhttp等等。

运行效果如下:

四、通过两个阻塞队列

使用一个阻塞队列能够实现线程同步的功能,两个阻塞队列也可以实现线程同步。原理是ArrayBlockingQueue他是具有容量的,如果把他的容量定位1则意味着他只能放进去一个元素,第二个方进行就会就会被阻塞。按照这个原理进行来实现,定义两个容量为1的阻塞队列ArrayBlockingQueue,一个存放数据,另一个用于控制次序。main方法和上面一致,主要来看看Man类中的两个方法:

static class Man {
    //数据的存放
    ArrayBlockingQueue queue1 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
    //用于控制程序的执行
    ArrayBlockingQueue queue2 = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);

    {
        try {
            //queue2放进去一个元素,getRunnable2阻塞
            queue2.put(22222);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void getRunnable1() {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 20; j++) {
                try {
                    //queue1放进一个元素,getRunnable1阻塞

                    queue1.put(j);
                    System.out.println("存放   线程名称:" + Thread.currentThread().getName() + "-数据为-" + j);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                try {
                    //queue2取出元素,getRunnable2进入
                    queue2.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

    public void getRunnable2() {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 20; j++) {
                try {
                    //queue2放进一个元素,getRunnable2阻塞
                    queue2.put(22222);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                try {
                    //queue1放进一个元素,getRunnable1进入

                    int i = (int) queue1.take();
                    System.out.println("获取   线程名称:" + Thread.currentThread().getName() + "-数据为-" + i);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

再次提醒queue2用于控制程序的执行次序,并无实际含义。最后看看运行效果,存一个、取一个很清晰,如下:

五、通过SynchronousQueue

SynchronousQueue不同于一般的数据等线程,而是线程等待数据,他是一个没有数据缓冲的BlockingQueue,生产者线程对其的插入操作put必须等待消费者的移除操作take,反过来也一样。通过这一特性来实现一个多线程同步问题的解决方案,代码如下:

/**
 * 使用阻塞队列SynchronousQueue
 * offer将数据插入队尾
 * take取出数据,如果没有则阻塞,直到有数据在获取到
 */
public static void test() {
    SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();
    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    executorService.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(5000);
                queue.offer(9);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    try {
        int take = (int) queue.take();
        System.out.println(take);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

子线程中进行设置数据,而主线程获取数据,如果子线程没执行完毕,子线程没有执行完毕主线程就会被阻塞住不能执行下一步。

六、通过线程池的Callback回调

在线程的创建中,有一种创建方法可以返回线程结果,就是callback,他能返回线程的执行结果,通过子线程返回的结果进而在主线程中进行操作,也是一种同步方法,这种同步在Android中特别适用,例如Android中的AsyncTask源码中任务的创建部分。代码如下:

private static void test() {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
    Future<Boolean> submit = executorService.submit(new Callable<Boolean>() {
        @Override
        public Boolean call() throws Exception {
            return false;
        }
    });
    try {
        if (submit.get()) {
            System.out.println(true);
        } else {
            System.out.println(false);
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

七、通过同步辅助类CountDownLatch

CountDownLatch是一个同步的辅助类,允许一个或多个线程,等待其他一组线程完成操作,再继续执行。他类实际上是使用计数器的方式去控制的,在创建的时候传入一个int数值每当我们调用countDownt()方法的时候就使得这个变量的值减1,而对于await()方法则去判断这个int的变量的值是否为0,是则表示所有的操作都已经完成,否则继续等待。可以理解成倒计时锁。

public class Test7 {
    public static void main(String[] args) {
        //启动两个线程,分别执行完毕之后再执行主线程
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
 
        //线程1执行
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行完毕");
            countDownLatch.countDown();
        });
        //线程2执行
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行完毕");
            countDownLatch.countDown();
        });
 
 
        thread1.start();
        thread2.start();
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
 
        //执行主线程
        System.out.println("主线程执行完毕");
    }
}

结果如下:

八、通过同步辅助类CyclicBarrier

CyclicBarrier是一个同步的辅助类,和上面的CountDownLatch比较类似,不同的是他允许一组线程相互之间等待,达到一个共同点,再继续执行。可看成是个障碍,所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。

public class Test8 {
    public static void main(String[] args) {
        //启动两个线程,分别执行完毕之后再执行主线程
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(2, () -> {
            //执行主线程
            System.out.println("主线程执行完毕");
 
        });
 
        //线程1执行
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行完毕");
 
            try {
                barrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
 
        //线程2执行
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行完毕");
            try {
                barrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
 
 
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

运行结果:

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