Java并发编程基础（三）线程间通信
如果多个线程能够相互配合完成工作，这将会带来巨大的价值。
一、volatile和synchronized关键字
Java支持多个线程同时访问一个对象或者对象的成员变量，由于每个线程可以拥有这个变量的拷贝，所以程序在执行过程中，一个线程看到的变量并不一定是最新的。
关键字volatile可以用来修饰成员变量，告知程序任何对该变量的访问均需要从共享内存中获取，而对它的改变必须同步刷新回共享内存，它能保证所有线程对变量访问的可见性。
关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性。
二、等待/通知机制
| 方法名称 | 描述 |
|---|---|
| notify() | 通知一个在对象上等待的线程，使其从wait()方法返回，返回的前提是该线程获取到了对象的锁 |
| notifyAll() | 通知所有等待在该对象上的线程 |
| wait() | 调用该方法的线程进入WAITING状态，只有等待另外线程的通知或被中断才会返回，需要注意，调用wait()方法后，会释放对象的锁 |
| wait(long) | 超时等待一段毫秒时间，如果没有通知就超时返回 |
等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而执行后续操作。上述两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()和notify/notifyAll()的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。
示例中，创建了线程WaitThread和NotifyThread，前者检查flag值是否为true，如果符合要求，进行后续操作，否则在lock上等待，后者在睡眠了一段时间后对lock进行通知：
public class WaitNotify {
static boolean flag = false;
static Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread waitThread = new Thread(new Wait(), "WaitThread");
waitThread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
Thread notifyThread = new Thread(new Notify(), "NotifyThread");
notifyThread.start();
}
static class Wait implements Runnable {
@Override
public void run() {
// 加锁, 拥有lock的Monitor
synchronized (lock) {
// 当条件不满足时, 继续wait, 同时释放了lock的锁
while (!flag) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is false. wait @ "
+ new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
// 条件满足时, 完成工作
System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is true. running @ "
+ new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
}
}
}
static class Notify implements Runnable {
@Override
public void run() {
// 加锁, 拥有lock的Monitor
synchronized (lock) {
// 获取lock的锁, 然后进行通知, 通知时不会释放lock的锁,
// 直到当前线程释放了lock后, WaitThread才能从wait方法中返回
System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock. notify @ "
+ new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
lock.notifyAll(); // 通知wait在lock对象的线程
flag = true; // 改变条件
SleepUtils.second(5); // 休眠5秒后释放锁
}
// 再次加锁
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock again. sleep @ "
+ new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
SleepUtils.second(5);
}
}
}
}
输出如下：
Thread[WaitThread,5,main] flag is false. wait @ 22:23:03
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock. notify @ 22:23:04
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock again. sleep @ 22:23:09
Thread[WaitThread,5,main] flag is true. running @ 22:23:14
输出第3行和第4行的顺序可能会互换，上述例子主要说明了调用wait()、notify()以及notifyAll()时需要注意的细节：
- 使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
- 调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程 放置到对象的等待队列。
- notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifyAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。
- notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列，而notifyAll()方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED。
- 从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。
三、等待/通知的经典范式
从WaitNotify示例中提炼出等待/通知的经典范式，该范式分为两部分，分别针对等待方（消费者）和通知方（生产者）。
等待方遵循如下原则：
- 获取对象的锁。
- 如果条件不满足，那么调用对象的wait()方法，被通知后仍要检查条件。
- 条件满足则执行对应的逻辑。
伪代码如下：
synchronized (对象) {
while(条件不满足) {
对象.wait();
}
条件满足时的处理逻辑
}
通知方遵循如下原则：
- 获得对象的锁。
- 改变条件.
- 通知所有等待在对象上的线程。
伪代码如下：
synchronized(对象) {
改变条件
对象.notifyAll();
}
四、等待超时模式
等待/通知的经典范式，即加锁、条件循环和处理逻辑这3个步骤，无法做到超时等待。只需要对经典范式做出小的改动，就可以实现超时等待。
超时等待伪代码如下：
// 对当前对象加锁
public synchronized Object get(long mills) throws InterruptedException {
long future = System.currentTimeMillis() + mills;
long remaining = mills;
// 当超时大于0并且result返回值不满足要求
while ((result == null) && remaining > 0) {
wait(remaining);
remaining = future - System.currentTimeMillis();
}
return result;
}
可以看出，等待超时模式就是在等待/通知范式基础上增加超时控制，这使得该模式相比原有范式更具有灵活性。
五、Thread.join()的使用
如果一个线程A执行了thread.join()语句，含义是：线程A等待thread线程终止后才从thread.join()返回。
示例创建了10个线程，编号0~9，每个线程调用前一个线程的join()方法，也就是线程0结束了，线程1才能从join()方法中返回，而线程0需要等待main线程结束。
public class Join {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread previous = Thread.currentThread();
for(int i=0; i<10; i++) {
// 每个线程拥有前一个线程的引用, 需要等待前一个线程终止, 才能从等待中返回
Thread thread = new Thread(new Domino(previous), String.valueOf(i));
thread.start();
previous = thread;
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " terminate.");
}
static class Domino implements Runnable {
private Thread thread;
public Domino(Thread thread) {
this.thread = thread;
}
@Override
public void run() {
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " terminate.");
}
}
}
输出如下：
main terminate.
0 terminate.
1 terminate.
2 terminate.
3 terminate.
4 terminate.
5 terminate.
6 terminate.
7 terminate.
8 terminate.
9 terminate.
六、ThreadLocal的使用
ThreadLocal，即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值得存储结构。这个结构被附带在线程上，也就是说一个线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个线程上的一个值。
可以通过set(T)方法来设置一个值，在当前线程下再通过get()方法获取到原先设置的值。
示例中构建了一个常用的Profiler类，它具有begin()和end()两个方法，而end()方法返回从begin()方法调用开始到end()方法被调用时的时间差：
public class Profiler {
// 第一次get()方法调用时会进行初始化(如果set方法没有调用), 每个线程会调用一次
private static final ThreadLocal<Long> TIME_THREADLOCAL = new ThreadLocal<Long>() {
protected Long initialValue() {
return System.currentTimeMillis();
};
};
public static final void begin() {
TIME_THREADLOCAL.set(System.currentTimeMillis());
}
public static final long end() {
return System.currentTimeMillis() - TIME_THREADLOCAL.get();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Profiler.begin();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("Cost: " + Profiler.end() + " mills");
}
}
输出结果如下：
Cost: 1001 mills
Profiler可以被复用在方法调用耗时统计的功能上，在方法的入口前执行begin()方法，在方法调用后执行end()方法，好处是两个方法的调用不在一个方法或者类中，比如在AOP中，可以在方法调用前的切入点执行begin()方法，而在方法调用后的切入点执行end()方法，这样依旧可以获得方法的执行耗时。
