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线程通信的核心机制

ds 2025/5/16 11:34:35

线程通信的核心机制

线程通信是多线程协作的基础，目的是让线程之间能够传递信息或协调执行顺序。Java中主要通过以下方式实现：

1. `wait()` 与 `notify()/notifyAll()`

原理

等待-通知机制：线程通过共享对象的监视器（锁）进行通信。
wait()：释放锁并进入等待状态，直到其他线程调用notify()。
notify()：随机唤醒一个优先级最高的等待线程。
notifyAll()：唤醒所有等待线程。

线程通信涉及上面三个方法：wait()、notify()、notifyAll();这三个方法都是Object类的方法
其中wait（）方法重载了三个：
- wait（）：调用此方法，线程进入”等待状态“
- wait（毫秒）：调用此方法，线程进入”超时等待状态“
- wait（毫秒，纳秒）：调用此方法，线程进入”超时等待状态“
调用wait方法和notify相关方法，不是通过线程对象去调用，而是通过共享对象去调用
- 例如：obj.wait()，
- obj是多线程共享的对象。当调用wait方法之后，在obj对象上活跃的所有线程进入无限期等待。直到调用了该共享对象的notify方法进行了唤醒。唤醒之后，会接着上一次调用wait（）方法的位置继续向下执行。
- obj.wait()方法调用之后，会释放之前占用的对象锁。

代码示例（生产者-消费者模型）

public class WaitNotifyDemo {private final Object lock = new Object();private boolean isProduced = false; // 标记是否有数据// 生产者public void produce() throws InterruptedException {synchronized (lock) {while (isProduced) { // 防止虚假唤醒lock.wait(); // 等待消费者消费}System.out.println("生产数据");isProduced = true;lock.notify(); // 通知消费者}}// 消费者public void consume() throws InterruptedException {synchronized (lock) {while (!isProduced) {lock.wait(); // 等待生产者生产}System.out.println("消费数据");isProduced = false;lock.notify(); // 通知生产者}}
}

关键点

必须在同步块中使用：调用wait()/notify()前需持有对象锁。
循环检查条件：使用while而非if，防止虚假唤醒。
单次唤醒与批量唤醒：notify()效率高，notifyAll()更安全。

2. `Condition` 接口（显式锁的通信）

原理

条件队列：通过Lock.newCondition()创建多个条件变量，实现精准唤醒。
await()：释放锁并等待信号，类似wait()。
signal()/signalAll()：唤醒指定条件的线程。

代码示例

public class ConditionDemo {private final Lock lock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = lock.newCondition(); // 队列未满条件private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 队列非空条件private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int CAPACITY = 10;// 生产者public void produce(int value) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.size() == CAPACITY) {notFull.await(); // 等待队列未满}queue.add(value);notEmpty.signal(); // 唤醒消费者} finally {lock.unlock();}}// 消费者public int consume() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.isEmpty()) {notEmpty.await(); // 等待队列非空}int value = queue.poll();notFull.signal(); // 唤醒生产者return value;} finally {lock.unlock();}}
}

优势

多条件控制：不同条件独立唤醒（如生产者唤醒消费者，消费者唤醒生产者）。
灵活性：支持超时等待（awaitNanos()）和可中断等待。

3. 阻塞队列（`BlockingQueue`）

原理

生产者-消费者解耦：通过队列的put()和take()方法自动处理阻塞。
线程安全：内部已实现同步机制，无需手动加锁。

代码示例

public class BlockingQueueDemo {private final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);// 生产者public void produce(int value) throws InterruptedException {queue.put(value); // 队列满时自动阻塞System.out.println("生产: " + value);}// 消费者public void consume() throws InterruptedException {int value = queue.take(); // 队列空时自动阻塞System.out.println("消费: " + value);}
}

常用实现类

ArrayBlockingQueue：有界队列，数组实现。
LinkedBlockingQueue：可选有界或无界，链表实现。
PriorityBlockingQueue：支持优先级排序。
SynchronousQueue：不存储元素，直接传递数据。

4. 同步工具类

(1) `CountDownLatch`

一次性屏障：等待多个线程完成初始化后继续执行。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
// 子线程中
latch.countDown();
// 主线程中
latch.await();

(2) `CyclicBarrier`

可重用屏障：多线程到达屏障后同时继续执行。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> System.out.println("所有线程到达屏障"));
// 线程中
barrier.await();

(3) `Phaser`

灵活阶段同步：支持动态注册/注销线程，分阶段同步。

Phaser phaser = new Phaser(3); // 初始3个线程
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 到达并等待其他线程

对比与选择建议

机制	适用场景	优点	缺点
`wait/notify`	简单的等待-通知逻辑	无需额外依赖	需手动处理锁和条件判断
`Condition`	多条件精准唤醒	灵活控制不同条件	代码复杂度较高
`BlockingQueue`	生产者-消费者模型	高度封装，自动阻塞	队列容量需合理设置
同步工具类	多线程分阶段协同任务	功能强大，支持复杂场景	学习成本较高