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线程通信---java

news 来源：原创 2025/8/24 10:55:38

线程

我们知道，线程是进程的最小执行单位，一个进程可以拥有多个线程，那么就会引入两个问题：

多个线程之间如何进行通信
多个线程对同一个数据进行操作，如何保证程序正确执行，也就是线程安全问题

线程的常用调度方法有：
在这里插入图片描述

线程通信和线程安全

线程通信和线程安全并不是完全独立的

线程通信依赖线程安全：线程通信通常涉及共享变量或资源的状态变化，而这些共享资源必须是线程安全的，否则通信本身可能失败
- 例子：
  使用 wait()/notify() 时，必须在 synchronized 块内操作共享对象的监视器。如果没有同步，线程可能在未持有锁的情况下调用 wait()，导致 IllegalMonitorStateException，或者多个线程同时修改状态，破坏通信逻辑。
线程安全需要线程通信：在某些场景下，线程安全不仅需要互斥访问，还需要线程间的协作。例如，一个线程等待条件满足后才能安全访问资源
- 例子：
  生产者-消费者模型中，消费者线程需要等待生产者生产数据。如果没有通信机制（比如队列为空时直接访问），会导致数据不一致或异常。
Java 中许多线程通信和线程安全的实现机制是重叠或互补的

1.共享变量（volatile）

volatile关键字用于修饰变量，当一个线程修改了volatile修饰的变量的值，其他线程能够立即看到最新的值，从而避免了线程之间的数据不一致(可见性)
防止指令重排，volatile 变量的写入不会被重排序到它之前的代码。
缺点：volatile并不能解决多线程并发下的复合操作问题，比如i++这种操作不是原子操作，如果多个线程同时对i进行自增操作，volatile不能保证线程安全。

public class VolatileExample {private volatile boolean running = true;public void start() {new Thread(() -> {while (running) {System.out.println("线程运行中...");}}).start();}public void stop() {running = false; // 修改立即可见}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {VolatileExample example = new VolatileExample();example.start();Thread.sleep(1000);example.stop();}
}

2.wait() / notify() / notifyAll()

wait() 和 notify() 是定义在 java.lang.Object 类中的方法，用于让线程等待和唤醒线程
基于对象监视器（monitor），确保在调用这些方法时，线程已经获得了对象的监视器锁，即**必须在 synchronized 块内使用**，否则会抛出 IllegalMonitorStateException。
缺点：只能唤醒一个（notify()）或全部（notifyAll()），不够灵活
内置的 synchronized 关键字 不支持中断等待 ，线程如果在进入 synchronized 块前等待锁，就算被中断，也不会停止等待。

public class WaitNotifyExample {private static final Object lock = new Object();private static boolean condition = false;public static void main(String[] args) {// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {synchronized (lock) {while (!condition) { // 使用 while 循环等待条件满足try {System.out.println("消费者等待数据...");lock.wait(); // 释放锁并等待} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();e.printStackTrace();}}System.out.println("消费者处理数据...");}});// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000); // 模拟数据准备时间} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();e.printStackTrace();}synchronized (lock) {condition = true; // 改变条件System.out.println("生产者生产了数据，通知消费者...");lock.notify(); // 唤醒等待中的消费者线程}});consumer.start();producer.start();}
}

3.Lock 和 Condition

ReentrantLock 提供锁机制，Condition 通过 await() 和 signal() 实现等待和唤醒，是 wait()/notify() 的增强替代品。
可中断性： ReentrantLock 实现了可中断性，这意味着线程在等待锁的过程中，可以被其他线程中断而提前结束等待。在底层，ReentrantLock 使用了与 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 相关的机制来实现可中断性。
设置超时时间： ReentrantLock 支持在尝试获取锁时设置超时时间，即等待一定时间后如果还未获得锁，则放弃锁的获取。这是通过内部的 tryAcquireNanos 方法来实现的。
公平锁和非公平锁：在直接创建 ReentrantLock 对象时，默认情况下是非公平锁。公平锁是按照线程等待的顺序来获取锁，而非公平锁则允许多个线程在同一时刻竞争锁，不考虑它们申请锁的顺序。公平锁可以通过在创建 ReentrantLock 时传入 true 来设置

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

可重入性： ReentrantLock 支持可重入性，即同一个线程可以多次获得同一把锁，而不会造成死锁。这是通过内部的 holdCount 计数来实现的。
多个条件变量： ReentrantLock 支持多个条件变量，每个条件变量可以与一个 ReentrantLock 关联。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;public class ProducerConsumerExample {// 定义一个可重入锁private final Lock lock = new ReentrantLock();// 定义两个条件：notFull 用于生产者等待队列有空位，notEmpty 用于消费者等待队列中有数据private final Condition notFull = lock.newCondition();private final Condition notEmpty = lock.newCondition();// 定义一个缓冲区及相关指针和计数器private final int[] buffer = new int[10];private int count = 0;   // 当前存储的数据个数private int putPtr = 0;  // 生产者写入数据的位置private int takePtr = 0; // 消费者取数据的位置// 生产者方法：向缓冲区添加数据public void put(int data) throws InterruptedException {lock.lock();try {// 如果缓冲区满了，则等待 notFull 条件满足while (count == buffer.length) {notFull.await();}buffer[putPtr] = data;putPtr = (putPtr + 1) % buffer.length;count++;// 添加数据后，通知消费者：缓冲区不为空了notEmpty.signal();} finally {lock.unlock();}}// 消费者方法：从缓冲区取数据public int take() throws InterruptedException {lock.lock();try {// 如果缓冲区为空，则等待 notEmpty 条件满足while (count == 0) {notEmpty.await();}int data = buffer[takePtr];takePtr = (takePtr + 1) % buffer.length;count--;// 取走数据后，通知生产者：缓冲区有空位了notFull.signal();return data;} finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {ProducerConsumerExample example = new ProducerConsumerExample();// 启动生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 20; i++) {try {example.put(i);System.out.println("Produced: " + i);Thread.sleep(100); // 模拟生产耗时} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}});// 启动消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 20; i++) {try {int data = example.take();System.out.println("Consumed: " + data);Thread.sleep(150); // 模拟消费耗时} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}});producer.start();consumer.start();}
}

4.BlockingQueue（阻塞队列）

基于队列（如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue），通过 put() 和 take() 实现阻塞式数据传递。
内BlockingQueue的实现都是线程安全的，所有队列的操作或使用内置锁或是其他形式的并发控制来保证原子。
缺点：功能单一，仅限数据传递。容量有限可能导致阻塞。

import java.util.concurrent.*;public class BlockingQueueExample {private BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);public void produce() throws InterruptedException {queue.put("数据"); // 放入数据}public void consume() throws InterruptedException {String data = queue.take(); // 取出数据System.out.println("消费: " + data);}public static void main(String[] args) {BlockingQueueExample example = new BlockingQueueExample();new Thread(() -> {try {example.produce();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();new Thread(() -> {try {example.consume();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();}
}

5.Thread.interrupt()

通过调用线程的 interrupt() 方法 设置中断标志，等线程自行中断

public class InterruptExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread thread = new Thread(() -> {while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {System.out.println("运行中...");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {System.out.println("被中断");return;}}});thread.start();Thread.sleep(3000);thread.interrupt(); // 中断线程}
}

6.CountDownLatch / CyclicBarrier / Semaphore

CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他一组线程完成操作后再继续执行。它通过一个计数器来实现，计数器初始化为线程的数量，每个线程完成任务后调用countDown方法将计数器减一，当计数器为零时，等待的线程可以继续执行。常用于多个线程完成各自任务后，再进行汇总或下一步操作的场景。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int threadCount = 3;CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);for (int i = 0; i < threadCount; i++) {new Thread(() -> {try {// 模拟任务执行Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成任务");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {latch.countDown(); // 任务完成，计数器减一}}).start();}latch.await(); // 等待所有子线程完成System.out.println("所有子线程已完成，主线程继续执行");}
}

CyclicBarrier：让一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个屏障点后，再一起继续执行。与CountDownLatch不同的是，CyclicBarrier可以重复使用，当所有线程都通过屏障后，计数器会重置，可以再次用于下一轮的等待。适用于多个线程需要协同工作，在某个阶段完成后再一起进入下一个阶段的场景。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierExample {public static void main(String[] args) {int threadCount = 3;CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(threadCount, () -> {System.out.println("所有任务已到达屏障点，继续执行...");});for (int i = 0; i < threadCount; i++) {new Thread(() -> {try {// 模拟任务执行Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到达屏障点");barrier.await(); // 等待其他线程到达System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 继续执行");} catch (Exception e) {Thread.currentThread().interrupt();}}).start();}}
}

Semaphore：信号量，用于控制同时访问某个资源的线程数量。它维护了一个许可计数器，线程在访问资源前需要获取许可，如果有可用许可，则获取成功并将许可计数器减一，否则线程需要等待，直到有其他线程释放许可。常用于控制对有限资源的访问，如数据库连接池、线程池中的线程数量等。

import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreExample {public static void main(String[] args) {int threadCount = 5;Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 允许两个线程同时访问for (int i = 0; i < threadCount; i++) {new Thread(() -> {try {semaphore.acquire(); // 获取许可System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取许可，开始执行");// 模拟任务执行Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放许可");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {semaphore.release(); // 释放许可}}).start();}}
}

7. Future 和 Callable

通过 Future 获取线程执行结果，结合 Callable 实现异步通信。

import java.util.concurrent.*;public class FutureExample {public static void main(String[] args) throws Exception {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Future<Integer> future = executor.submit(() -> {Thread.sleep(1000);return 42;});System.out.println("结果: " + future.get()); // 阻塞等待executor.shutdown();}
}

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目录 ETCD 适用的六大场景及其实现原理 ETCD 与 Redis 在分布式锁实现上的差异解释 ETCD 的 Watch 机制及其应用场景 ETCD 如何实现服务发现？与 ZooKeeper 有何不同？ ETCD 实现服务发现的方式与 ZooKeeper 的不同 ETCD 的键值存储模型支持哪些操作？为什么 ETCD 适…...

编程日记 2025/8/16 10:07:17

MySQL进阶-关联查询优化

采用左外连接下面开始 EXPLAIN 分析 EXPLAIN SELECT SQL_NO_CACHE * FROM type LEFT JOIN book ON type.card book.card; 结论：type 有All ,代表着全表扫描，效率较差添加索引优化 ALTER TABLE book ADD INDEX Y ( card); #【被驱动表】&#xff0…...

编程日记 2025/8/23 17:18:45

ESP32驱动OV3660摄像头实现EdgeImpulse图像识别（摄像头支持红外夜视、边缘AI计算）

目录 1、传感器特性 2、硬件原理图 3、驱动程序 ESP32-S3 AI智能摄像头模块是一款专为智能家居和物联网应用打造的高性能边缘AI开发模组。它集成了摄像头、麦克风、音频功放、环境光传感器和夜视补光灯，无需依赖云端即可实现本地化AI推理。凭借TensorFlow Lite、YOLO和O…...

编程日记 2025/8/19 19:05:47

SpringSecurity认证授权完整流程

SpringSecurity认证流程：loadUserByUsername（）方法内部实现。实现步骤： 构建一个自定义的service接口，实现SpringSecurity的UserDetailService接口。建一个service实现类，实现此loadUserByUsername方法。…...

编程日记 2025/8/23 14:47:42

线程