Java 并发总结（二）：线程的协作机制

1. 多线程的协作场景有哪些

• 生产者/消费者模式
• 主从协作模式
• 同时开始
• 集合点等待

2. 线程的协作机制有哪些

• wait()/notify()

  • wait()/notify() 与 synchronized 配合一起使用，是线程的基本协作机制
  • 每个对象都有一把锁和两个等待队列，一个是锁等待队列，里面放的是等待获取锁的线程；另一个是条件等待队列，里面放的是等待条件的线程：wait() 的作用是将自己加入条件等待队列，notify() 的作用是从条件等待队列上移除一个线程并唤醒，notifyAll() 移除所有线程并唤醒
  • wait()/notify() 方法只能在 synchronized 代码块内被调用。调用 wait() 时，线程会释放对象锁，被 notify()/notifyAll() 唤醒后，要重新竞争对象锁，获取到锁后才会从 wait() 调用中返回，返回后，不代表其等待的条件就一定成立了，需要重新检查其等待的条件
  • wait()/nofity() 方法看上去简单，但往往难以理解 wait() 等的到底是什么，而 notify() 通知的又是什么，只能有一个条件等待队列，这也是 wait()/notify() 机制的局限性，这使得对于等待条件的分析变得复杂

• 显示条件

  • 显示条件与显示锁配合使用，与 wait()/notify() 相比，可以支持多个条件队列，代码更为易读、效率更高
  • 使用时注意不要将 signal()/signalAll() 误写为 notify()/notifyAll()

• 线程的中断

  • Java 中取消/关闭一个线程的方式是中断。中断并不是强迫终止一个线程，它是一种协作机制，是给线程传递一个取消信号，由线程来决定如何以及何时退出
  • 线程在不同状态和 IO 操作时对中断有不同的反应。作为线程的实现者，应该提供明确的取消/关闭方法，并用文档清楚描述其行为；作为线程的调用者，应该使用其取消/关闭方法，而不应该贸然调用 interrupt() 方法

• 协作工具类

  • 信号量类 Semaphore 用于限制对资源的并发访问数
  • 倒计时门栓 CountDownLatch 主要用于不同角色线程间的同步。比如在裁判/运动员模式中，裁判线程让多个运动员线程同时开始，也可以用于协调主从线程，让主线程等待多个线程的结果
  • 循环栅栏 CyclicBarrier 用于同一角色线程间的协调一致，所有线程在到达栅栏后都需要等待其他线程，等所有线程都到达后再一起通过。它是循环的，可以用作重复的同步

• 阻塞队列

  • 对于最常见的生产者/消费者模式，可以使用阻塞队列
  • 阻塞队列封装了锁和条件，生产者线程和消费者线程只需要调用队列的入队/出队方法就可以了，不需要考虑同步和协作问题
  • 阻塞队列有普通的先进先出队列，包括基于数组的 ArrayBlockingQueue 和基于链表的 LinkedBlockingQueue/LinkedBlockingDeque，也有基于堆的优先级阻塞队列 PriorityBlockingQueue，还有可用于定时任务的延时阻塞队列 DelayQueue，以及用于特殊场景的阻塞队列 SynchronousQueue 和 LinkedTransferQueue

• Future/FutureTask

  • 在常见的主从协作模式中，主线程往往是让子线程异步执行一项任务，获取其结果。手工创建子线程的写法往往比较麻烦，常见的模式是使用异步任务执行服务：不再手工创建线程，而只是提交任务，提交后马上得到一个结果，但这个结果不是最终结果，而是一个 Future。Future 是一个接口，主要实现类是 FutureTask
  • Future 封装了主线程和执行线程关于执行状态和结果的同步，对于主线程而言，它只需要通过 Future 就可以查询异步任务的状态、获取最终结果、取消任务等，不需要再考虑同步和协作问题