Java 多线程
正常情况下，每个子线程完成各自的任务就可以结束了。不过有的时候，希望多个线程协同工作来完成某个任务，这时就涉及到了线程间通信了。
涉及到的知识点：

  1. thread.join(),
  2. object.wait(),
  3. object.notify(),
  4. CountdownLatch,
  5. CyclicBarrier,
  6. FutureTask,
  7. Callable 。

下面从几个例子作为切入点来讲解下 Java 里有哪些方法来实现线程间通信。

  1. 如何让两个线程依次执行？
  2. 如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？
  3. 四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的
  4. 三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑

  5. 子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程

    如何让两个线程依次执行？

    假设有两个线程，一个是线程 A，另一个是线程 B，两个线程分别依次打印 1-3 三个数字即可。来看下代码：

    1. private static void demo1() {  
    2.  Thread A = new Thread(new Runnable() {  
    3.      @Override  
    4.      public void run() {  
    5.          printNumber("A");  
    6.      }  
    7.  });  
    8.  Thread B = new Thread(new Runnable() {  
    9.      @Override  
    10.      public void run() {  
    11.          printNumber("B");  
    12.      }  
    13.  });  
    14.  A.start();  
    15.  B.start();  
    16. }

    其中的 printNumber(String) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：

    1. private static void printNumber(String threadName) {  
    2.  int i=0;  
    3.  while (i++ < 3) {  
    4.      try {  
    5.          Thread.sleep(100);  
    6.      } catch (InterruptedException e) {  
    7.          e.printStackTrace();  
    8.      }  
    9.      System.out.println(threadName + " print: " + i);  
    10.  }  
    11. }

    这时得到的结果是：

    1. B print: 1 A print: 1 B print: 2 A print: 2 B print: 3 A print: 3

    可以看到 A 和 B 是同时打印的。
    那么，如果希望 B 在 A 全部打印 完后再开始打印呢？可以利用 thread.join() 方法，代码如下:

    1. private static void demo2() {  
    2.  Thread A = new Thread(new Runnable() {  
    3.      @Override  
    4.      public void run() {  
    5.          printNumber("A");  
    6.      }  
    7.  });  
    8.  Thread B = new Thread(new Runnable() {  
    9.      @Override  
    10.      public void run() {  
    11.          System.out.println("B 开始等待 A");  
    12.          try {  
    13.              A.join();  
    14.          } catch (InterruptedException e) {  
    15.              e.printStackTrace();  
    16.          }  
    17.          printNumber("B");  
    18.      }  
    19.  });  
    20.  B.start();  
    21.  A.start();  
    22. }

    得到的结果如下：

    1. B 开始等待 A A print: 1 A print: 2 A print: 3
    2. B print: 1 B print: 2 B print: 3

    所以能看到 A.join() 方法会让 B 一直等待直到 A 运行完毕。

    如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？

    还是上面那个例子，现在希望 A 在打印完 1 后，再让 B 打印 1, 2, 3，最后再回到 A 继续打印 2, 3。这种需求下，显然 Thread.join() 已经不能满足了。需要更细粒度的锁来控制执行顺序。
    这里，可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下：

    1. /**  
    2. * A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3  
    3. */  
    4. private static void demo3() {  
    5.  Object lock = new Object();  
    6.  Thread A = new Thread(new Runnable() {  
    7.      @Override  
    8.      public void run() {  
    9.          synchronized (lock) {  
    10.              System.out.println("A 1");  
    11.              try {  
    12.                  lock.wait();  
    13.              } catch (InterruptedException e) {  
    14.                  e.printStackTrace();  
    15.              }  
    16.              System.out.println("A 2");  
    17.              System.out.println("A 3");  
    18.          }  
    19.      }  
    20.  });  
    21.  Thread B = new Thread(new Runnable() {  
    22.      @Override  
    23.      public void run() {  
    24.          synchronized (lock) {  
    25.              System.out.println("B 1");  
    26.              System.out.println("B 2");  
    27.              System.out.println("B 3");  
    28.              lock.notify();  
    29.          }  
    30.      }  
    31.  });  
    32.  A.start();  
    33.  B.start();  
    34. }

    打印结果如下：

    1. A 1 A waiting…
    2. B 1 B 2 B 3 A 2 A 3

    正是期望的结果。
    那么，这个过程发生了什么呢？

  6. 首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();

  7. 当 A 得到锁后，先打印 1，然后调用 lock.wait() 方法，交出锁的控制权，进入 wait 状态；
  8. 对 B 而言，由于 A 最开始得到了锁，导致 B 无法执行；直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后， B 才得到了锁；
  9. B 在得到锁后打印 1， 2， 3；然后调用 lock.notify() 方法，唤醒正在 wait 的 A;
  10. A 被唤醒后，继续打印剩下的 2，3。

为了更好理解，在上面的代码里加上 log 方便查看。

  1. private static void demo3() {  
  2.     Object lock = new Object();  
  3.     Thread A = new Thread(new Runnable() {  
  4.         @Override  
  5.         public void run() {  
  6.             System.out.println("INFO: A 等待锁 ");  
  7.             synchronized (lock) {  
  8.                 System.out.println("INFO: A 得到了锁 lock");  
  9.                 System.out.println("A 1");  
  10.                 try {  
  11.                     System.out.println("INFO: A 准备进入等待状态，放弃锁 lock 的控制权 ");  
  12.                     lock.wait();  
  13.                 } catch (InterruptedException e) {  
  14.                     e.printStackTrace();  
  15.                 }  
  16.                 System.out.println("INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock");  
  17.                 System.out.println("A 2");  
  18.                 System.out.println("A 3");  
  19.             }  
  20.         }  
  21.     });  
  22.     Thread B = new Thread(new Runnable() {  
  23.         @Override  
  24.         public void run() {  
  25.             System.out.println("INFO: B 等待锁 ");  
  26.             synchronized (lock) {  
  27.                 System.out.println("INFO: B 得到了锁 lock");  
  28.                 System.out.println("B 1");  
  29.                 System.out.println("B 2");  
  30.                 System.out.println("B 3");  
  31.                 System.out.println("INFO: B 打印完毕，调用 notify 方法 ");  
  32.                 lock.notify();  
  33.             }  
  34.         }  
  35.     });  
  36.     A.start();  
  37.     B.start();  
  38. }

打印结果如下:

  1. INFO: A 等待锁 INFO: A 得到了锁 lock A 1 INFO: A 准备进入等待状态，调用 lock.wait() 放弃锁 lock 的控制权 INFO: B 等待锁 INFO: B 得到了锁 lock B 1 B 2 B 3 INFO: B 打印完毕，调用 lock.notify() 方法 INFO: 有人唤醒了 A, A 重新获得锁 lock A 2 A 3

四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的

最开始介绍了 thread.join()，可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行，那可以在 D 线程里依次 join A B C，不过这也就使得 A B C 必须依次执行，而要的是这三者能同步运行。
或者说，希望达到的目的是：A B C 三个线程同时运行，各自独立运行完后通知 D；对 D 而言，只要 A B C 都运行完了，D 再开始运行。针对这种情况，可以利用 CountdownLatch 来实现这类通信方式。它的基本用法是：

  1. 创建一个计数器，设置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
  2. 在 等待线程 里调用 countDownLatch.await() 方法，进入等待状态，直到计数值变成 0；
  3. 在 其他线程 里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减小 1；
  4. 当 其他线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时，等待线程 里的 countDownLatch.await() 立即退出，继续执行下面的代码。

实现代码如下：

  1. private static void runDAfterABC() {  
  2.     int worker = 3;  
  3.     CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(worker);  
  4.     new Thread(new Runnable() {  
  5.         @Override  
  6.         public void run() {  
  7.             System.out.println("D is waiting for other three threads");  
  8.             try {  
  9.                 countDownLatch.await();  
  10.                 System.out.println("All done, D starts working");  
  11.             } catch (InterruptedException e) {  
  12.                 e.printStackTrace();  
  13.             }  
  14.         }  
  15.     }).start();  
  16.     for (char threadName='A'; threadName <= 'C'; threadName++) {  
  17.         final String tN = String.valueOf(threadName);  
  18.         new Thread(new Runnable() {  
  19.             @Override  
  20.             public void run() {  
  21.                 System.out.println(tN + " is working");  
  22.                 try {  
  23.                     Thread.sleep(100);  
  24.                 } catch (Exception e) {  
  25.                     e.printStackTrace();  
  26.                 }  
  27.                 System.out.println(tN + " finished");  
  28.                 countDownLatch.countDown();  
  29.             }  
  30.         }).start();  
  31.     }  
  32. }

下面是运行结果：

  1. D is waiting for other three threads A is working B is working C is working
  2. A finished C finished B finished All done, D starts working

其实简单点来说，CountDownLatch 就是一个倒计数器，把初始计数值设置为3，当 D 运行时，先调用 countDownLatch.await() 检查计数器值是否为 0，若不为 0 则保持等待状态；当A B C 各自运行完后都会利用countDownLatch.countDown()，将倒计数器减 1，当三个都运行完后，计数器被减至 0；此时立即触发 D 的 await() 运行结束，继续向下执行。
因此，CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的情况。

三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑

上面是一个形象的比喻，针对 线程 A B C 各自开始准备，直到三者都准备完毕，然后再同时运行 。也就是要实现一种 线程之间互相等待 的效果，那应该怎么来实现呢？
上面的 CountDownLatch 可以用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的 await() 会得到响应，无法让多个线程同时触发。
为了实现线程间互相等待这种需求，可以利用 CyclicBarrier 数据结构，它的基本用法是：

  1. 先创建一个公共 CyclicBarrier 对象，设置 同时等待 的线程数，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
  2. 这些线程同时开始自己做准备，自身准备完毕后，需要等待别人准备完毕，这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人；
  3. 当指定的 同时等待 的线程数都调用了 cyclicBarrier.await();时，意味着这些线程都准备完毕好，然后这些线程才 同时继续执行。

实现代码如下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其他人，全部准备好后才开始跑：

  1. private static void runABCWhenAllReady() {  
  2.     int runner = 3;  
  3.     CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(runner);  
  4.     final Random random = new Random();  
  5.     for (char runnerName='A'; runnerName <= 'C'; runnerName++) {  
  6.         final String rN = String.valueOf(runnerName);  
  7.         new Thread(new Runnable() {  
  8.             @Override  
  9.             public void run() {  
  10.                 long prepareTime = random.nextInt(10000) + 100;  
  11.                 System.out.println(rN + " is preparing for time: " + prepareTime);  
  12.                 try {  
  13.                     Thread.sleep(prepareTime);  
  14.                 } catch (Exception e) {  
  15.                     e.printStackTrace();  
  16.                 }  
  17.                 try {  
  18.                     System.out.println(rN + " is prepared, waiting for others");  
  19.                     cyclicBarrier.await(); // 当前运动员准备完毕，等待别人准备好  
  20.                 } catch (InterruptedException e) {  
  21.                     e.printStackTrace();  
  22.                 } catch (BrokenBarrierException e) {  
  23.                     e.printStackTrace();  
  24.                 }  
  25.                 System.out.println(rN + " starts running"); // 所有运动员都准备好了，一起开始跑  
  26.             }  
  27.         }).start();  
  28.     }  
  29. }

打印的结果如下：

  1. A is preparing for time: 4131 B is preparing for time: 6349 C is preparing for time: 8206 A is prepared, waiting for others B is prepared, waiting for others C is prepared, waiting for others C starts running A starts running B starts running

子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程

实际的开发中，经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在 Java 里要如何实现呢？
回顾线程的创建，一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义如下：

  1. public interface Runnable {  
  2.     public abstract void run();  
  3. }

可以看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类 Callable：

  1. @FunctionalInterface  
  2. public interface Callable<V> {  
  3.     /**  
  4.      * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.  
  5.      *  
  6.      * @return computed result  
  7.      * @throws Exception if unable to compute a result  
  8.      */  
  9.     V call() throws Exception;  
  10. }

可以看出 Callable 最大区别就是返回范型 V 结果。
那么下一个问题就是，如何把子线程的结果回传回来呢？在 Java 里，有一个类是配合 Callable 使用的：FutureTask，不过注意，它获取结果的 get 方法会阻塞主线程。
举例，让子线程去计算从 1 加到 100，并把算出的结果返回到主线程。

  1. private static void doTaskWithResultInWorker() {  
  2.     Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {  
  3.         @Override  
  4.         public Integer call() throws Exception {  
  5.             System.out.println("Task starts");  
  6.             Thread.sleep(1000);  
  7.             int result = 0;  
  8.             for (int i=0; i<=100; i++) {  
  9.                 result += i;  
  10.             }  
  11.             System.out.println("Task finished and return result");  
  12.             return result;  
  13.         }  
  14.     };  
  15.     FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);  
  16.     new Thread(futureTask).start();  
  17.     try {  
  18.         System.out.println("Before futureTask.get()");  
  19.         System.out.println("Result: " + futureTask.get());  
  20.         System.out.println("After futureTask.get()");  
  21.     } catch (InterruptedException e) {  
  22.         e.printStackTrace();  
  23.     } catch (ExecutionException e) {  
  24.         e.printStackTrace();  
  25.     }  
  26. }

打印结果如下：

  1. Before futureTask.get() Task starts Task finished and return result Result: 5050 After futureTask.get()

可以看到，主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程；然后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 futureTask.get() 得到结果，主线程恢复运行。
这里可以学到，通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到线程池去管理执行。