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Java中线程之间是如何通信的

article 2025/1/10 23:35:19

在 Java 中，线程之间的通信是通过共享内存模型来实现的，线程通过共享的对象和变量来交换数据。为了确保线程间通信的正确性，Java 提供了一系列机制来实现线程安全、同步和通信。以下是常用的几种线程间通信的方式，以及它们的使用方法和场景。

1. 共享变量与同步机制

多个线程可以通过共享对象的变量进行通信，但为了避免数据不一致的问题，必须使用同步机制来控制对共享变量的访问。

使用 synchronized 关键字： synchronized 确保在同一时刻只有一个线程可以执行同步代码块。它可以同步方法或代码块，用于保护共享数据。

示例：

class Counter {
    private int count = 0;

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

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

public class SyncExample {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

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

        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final count: " + counter.getCount());
    }
}

使用场景：用于保护共享资源，防止多个线程同时读写导致数据不一致的问题。

使用 volatile 关键字： volatile 确保一个线程对变量的修改对其他线程立即可见。它适用于轻量级的变量同步，通常用于标志位控制。

示例：

class Flag {
    private volatile boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false;
    }

    public boolean isRunning() {
        return running;
    }
}

public class VolatileExample {
    public static void main(String[] args) {
        Flag flag = new Flag();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (flag.isRunning()) {
                System.out.println("Thread is running");
            }
            System.out.println("Thread stopped");
        });

        t1.start();

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        flag.stop();
    }
}

使用场景：用于控制线程的退出、开关操作等轻量级场景。

2. `wait()`、`notify()` 和 `notifyAll()`

Object 类的这三个方法用于在同步块内实现线程间的协作。线程可以通过 wait() 进入等待状态，直到另一个线程调用 notify() 或 notifyAll() 唤醒它们。

wait()：当前线程进入等待状态，并释放锁。
notify()：唤醒一个正在等待同一锁的线程。
notifyAll()：唤醒所有等待同一锁的线程。

示例：生产者-消费者模型

class SharedResource {
    private int value;
    private boolean hasValue = false;

    public synchronized void produce(int newValue) throws InterruptedException {
        while (hasValue) {
            wait(); // 等待消费者消费
        }
        value = newValue;
        hasValue = true;
        System.out.println("Produced: " + value);
        notify(); // 唤醒消费者
    }

    public synchronized void consume() throws InterruptedException {
        while (!hasValue) {
            wait(); // 等待生产者生产
        }
        System.out.println("Consumed: " + value);
        hasValue = false;
        notify(); // 唤醒生产者
    }
}

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        SharedResource resource = new SharedResource();

        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    resource.produce(i);
                    Thread.sleep(100);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    resource.consume();
                    Thread.sleep(200);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

使用场景：适用于线程间的协调工作，比如生产者-消费者模型，一个线程负责生产资源，另一个线程负责消费资源。

3. `Lock` 和 `Condition` 接口

相比 synchronized，Lock 提供了更灵活的同步机制，而 Condition 可以替代 wait()、notify() 和 notifyAll()，并支持多个等待条件。

ReentrantLock：常用于显式锁控制，可以提供公平锁机制（按获取锁的顺序进行调度）。
Condition：类似于 Object 的 wait()、notify()，可以创建多个 Condition 来进行复杂的线程协调。

示例：

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

class BoundedBuffer {
    private final int[] buffer;
    private int count, in, out;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public BoundedBuffer(int size) {
        buffer = new int[size];
    }

    public void put(int value) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == buffer.length) {
                notFull.await(); // 等待缓冲区未满
            }
            buffer[in] = value;
            in = (in + 1) % buffer.length;
            count++;
            notEmpty.signal(); // 唤醒消费线程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await(); // 等待缓冲区非空
            }
            int value = buffer[out];
            out = (out + 1) % buffer.length;
            count--;
            notFull.signal(); // 唤醒生产线程
            return value;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class LockConditionExample {
    public static void main(String[] args) {
        BoundedBuffer buffer = new BoundedBuffer(5);

        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    buffer.put(i);
                    System.out.println("Produced: " + i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    int value = buffer.take();
                    System.out.println("Consumed: " + value);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

使用场景：适用于需要显式锁定、更复杂的条件等待场景，比如多条件同步、多生产者-消费者模型。