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文章标题:如何在Java中实现线程间通信?
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在Java中,线程间通信是并发编程中一个至关重要的概念。它允许不同的线程在执行过程中交换信息、协调动作,从而实现复杂的并发任务。Java提供了多种机制来实现线程间通信,主要包括共享变量、synchronized关键字、wait()、notify()和notifyAll()方法、以及更高级的并发工具如Lock、Condition、Semaphore、CyclicBarrier、CountDownLatch等。下面,我们将详细探讨这些机制,并展示如何在Java中有效地实现线程间通信。

1. 共享变量

最直接的方式是通过共享变量来实现线程间通信。多个线程可以访问同一个变量,并通过修改这个变量的值来传递信息。然而,这种方式必须小心处理同步问题,以避免竞态条件(race condition)和数据不一致的问题。

public class SharedVariableExample {
    private int sharedVar = 0;

    public synchronized void increment() {
        sharedVar++;
    }

    public synchronized int getSharedVar() {
        return sharedVar;
    }

    // 示例用法
    public static void main(String[] args) {
        SharedVariableExample example = new SharedVariableExample();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (example.getSharedVar() < 1000) {
                // 等待直到sharedVar达到1000
            }
            System.out.println("Completed. sharedVar = " + example.getSharedVar());
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

注意,虽然这个例子使用了synchronized方法来保证对共享变量的安全访问,但它并不是线程间通信的最佳实践,因为t2使用了忙等待(busy waiting),这会导致CPU资源的浪费。

2. synchronized关键字与wait/notify

synchronized关键字不仅可以用于同步方法或代码块,还可以配合wait()notify()notifyAll()方法来实现线程间的通信。wait()使当前线程等待直到另一个线程调用此对象的notify()方法或notifyAll()方法,notify()唤醒在此对象监视器上等待的单个线程,而notifyAll()唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

public class WaitNotifyExample {
    private final Object lock = new Object();
    private boolean ready = false;

    public void waitForReady() {
        synchronized (lock) {
            try {
                while (!ready) {
                    lock.wait();
                }
                // 执行后续操作
                System.out.println("Ready now.");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt(); // 保持中断状态
            }
        }
    }

    public void setReady() {
        synchronized (lock) {
            ready = true;
            lock.notify(); // 或者使用notifyAll()来唤醒所有等待的线程
        }
    }

    // 示例用法
    public static void main(String[] args) {
        WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
        Thread t1 = new Thread(example::waitForReady);
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                // 模拟一些准备工作
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            example.setReady();
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

3. Lock与Condition

java.util.concurrent.locks包提供了比synchronized方法和语句更灵活的锁机制。Lock接口允许更复杂的同步控制,而Condition接口则提供了比Object监视器方法更丰富的线程间通信能力。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockConditionExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition readyCondition = lock.newCondition();
    private boolean ready = false;

    public void waitForReady() {
        lock.lock();
        try {
            while (!ready) {
                readyCondition.await();
            }
            // 执行后续操作
            System.out.println("Ready now.");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setReady() {
        lock.lock();
        try {
            ready = true;
            readyCondition.signal(); // 或者使用signalAll()
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 示例用法(略)
}

4. 高级并发工具

Java并发包java.util.concurrent还提供了多种高级的并发工具,如Semaphore(信号量)、CyclicBarrier(循环屏障)、CountDownLatch(倒计数器)等,这些工具可以更方便地实现复杂的线程间通信和同步。

  • Semaphore:用于控制同时访问某个特定资源的操作数量,或者实现复杂的访问控制。
  • CyclicBarrier:允许一组线程互相等待,直到所有线程都到达某个公共屏障点(common barrier point)。
  • CountDownLatch:一个同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待。
// CountDownLatch示例
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {
    private final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

    public void doSomething() throws InterruptedException {
        System.out.println("Waiting for the latch to count down...");
        latch.await(); // 等待直到倒计数器变为0
        System.out.println("Latch count down. Proceeding.");
    }

    public void countdown() {
        latch.countDown(); // 减少锁存器的计数
    }

    // 示例用法(略)
}

结论

在Java中,线程间通信是实现并发程序的关键部分。通过共享变量、synchronizedwait/notifyLockCondition以及高级并发工具如SemaphoreCyclicBarrierCountDownLatch,我们可以灵活地实现复杂的线程间协作和同步逻辑。每种机制都有其适用场景和优缺点,开发者应根据具体需求选择最合适的工具。在实际开发中,合理利用这些机制,能够显著提高程序的并发性能和可靠性。

希望这篇详细的介绍能帮助你更好地理解Java中的线程间通信,并在你的项目中有效地应用这些技术。如果你在深入学习的过程中遇到任何问题,不妨访问码小课网站,那里有丰富的教程和实战案例,可以帮助你进一步提升并发编程的技能。

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