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【JavaSE专栏80】多线程通信，多个线程之间如何实现信息传递和同步？

2023-09-06 11:02

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作者主页：Designer 小郑
作者简介：3年JAVA全栈开发经验，专注JAVA技术、系统定制、远程指导，致力于企业数字化转型，CSDN学院、蓝桥云课认证讲师。
主打方向：Vue、SpringBoot、微信小程序

本文讲解了 Java 中多线程通信的语法和应用场景，并给出了样例代码。多线程通信是指多个线程之间通过共享的对象或变量进行信息传递和同步的过程，多线程通信的目的是实现线程之间的协调工作，使得线程能够有效地协作完成任务。

继承 Thread 类：通过继承 Thread 类，重写 run() 方法来定义线程的执行逻辑，然后创建线程对象，调用 start() 方法启动线程。
实现 Runnable 接口：定义一个实现了 Runnable 接口的类，并实现 run() 方法，然后创建 Thread 对象，将 Runnable 对象作为参数传递给 Thread 对象，并调用 start() 方法启动线程。

多线程编程可以实现任务的并行执行、提高系统的吞吐量、改善用户体验等，但同时也需要注意线程安全的问题，避免出现竞态条件和数据不一致等问题。

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多线程通信是指多个线程之间通过共享的对象或变量进行信息传递和同步的过程，多线程通信的目的是实现线程之间的协调工作，使得线程能够有效地协作完成任务。

Java 提供了 $4$ 种多线程通信的机制，请同学们认真学习。

共享变量：多个线程可以通过共享的变量进行通信。线程可以读取和修改共享变量的值，从而达到信息传递和同步的目的。但需要注意的是，当多个线程同时修改共享变量时，可能会出现竞态条件的问题，需要使用同步机制来保证线程安全。
等待/通知机制：通过 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法实现线程的等待和唤醒操作。当线程需要等待某个条件满足时，可以调用 wait() 方法将当前线程挂起，并释放对象的锁。其他线程可以通过 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒等待的线程，并重新竞争对象的锁。
阻塞队列：阻塞队列是一种线程安全的队列，可以用于多线程之间的数据传递和同步。线程可以将数据放入队列中，或者从队列中获取数据，当队列为空时，获取线程会被阻塞，直到有数据可用；当队列已满时，插入线程会被阻塞，直到有空闲位置。
线程间的信号量：信号量是一种计数器，可以控制同时访问某个资源的线程数量。线程可以通过 acquire() 方法获取信号量，如果信号量的计数器大于 $0$ ，则可以继续执行；如果计数器为 $0$ ，则线程会被阻塞。线程在完成任务后，需要通过 release() 方法释放信号量，使得其他等待的线程可以继续执行。

多线程通信的目的是实现线程之间的协作和同步，以确保线程能够有序地执行任务，避免出现数据竞争和不一致的问题，在设计多线程通信时，需要合理地选择适当的机制，并注意线程安全和同步的问题，以保证多线程程序的正确性和性能。

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在 Java 中可以通过共享对象或变量以及等待/通知机制来实现多线程之间的通信，以下是一个使用等待/通知机制实现多线程通信的示例代码，请同学们复制到本地执行。

public class ThreadCommunicationExample {  public static void main(String[] args) {    final Data data = new Data();    Thread senderThread = new Thread(new Sender(data));    Thread receiverThread = new Thread(new Receiver(data));    senderThread.start();    receiverThread.start();  }  // 共享数据类  static class Data {    private String message;    private boolean isSent = false;    public synchronized void sendMessage(String message) {      // 如果消息已发送，则等待接收者接收      while (isSent) {        try {          wait();        } catch (InterruptedException e) {          e.printStackTrace();        }      }      this.message = message;      isSent = true;      // 通知等待的接收者可以接收消息了      notify();    }    public synchronized String receiveMessage() {      // 如果消息未发送，则等待发送者发送消息      while (!isSent) {        try {          wait();        } catch (InterruptedException e) {          e.printStackTrace();        }      }      String receivedMessage = message;      isSent = false;      // 通知等待的发送者可以发送消息了      notify();      return receivedMessage;    }  }  // 发送者线程  static class Sender implements Runnable {    private final Data data;    public Sender(Data data) {      this.data = data;    }    @Override    public void run() {      String[] messages = {"Message 1", "Message 2", "Message 3"};      for (String message : messages) {        data.sendMessage(message);        System.out.println("Sent message: " + message);        try {          Thread.sleep(1000);        } catch (InterruptedException e) {          e.printStackTrace();        }      }    }  }  // 接收者线程  static class Receiver implements Runnable {    private final Data data;    public Receiver(Data data) {      this.data = data;    }    @Override    public void run() {      for (int i = 0; i < 3; i++) {        String receivedMessage = data.receiveMessage();        System.out.println("Received message: " + receivedMessage);      }    }  }}

在上面的示例代码中，使用一个共享的 Data 对象来进行多线程通信，Sender 线程向 Data 对象发送消息，而 Receiver 线程从 Data 对象接收消息。Data 类中的 sendMessage() 方法用于发送消息，receiveMessage() 方法用于接收消息。

在 sendMessage() 方法中，如果消息已经发送，则发送者线程进入等待状态，当接收者线程调用 receiveMessage() 方法时，如果消息未发送，则接收者线程进入等待状态，直到有消息被发送。

当发送者发送消息后，会通知等待的接收者线程可以接收消息，在接收者线程接收到消息后，会通知等待的发送者线程可以发送消息。

通过使用等待/通知机制，发送者和接收者线程可以协调工作，并确保消息能够正确传递。

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多线程通信在许多应用场景中都是非常有用的，以下是一些常见 $5$ 种应用场景，请同学们认真学习。

生产者-消费者模型：在多线程编程中，生产者线程生成数据并将其放入共享的缓冲区，而消费者线程从缓冲区中获取数据并进行处理。生产者和消费者之间需要进行通信，以控制数据的生产和消费速度，防止缓冲区溢出或者数据丢失。
线程池任务调度：线程池中的多个工作线程可以通过共享任务队列的方式来进行任务调度。当任务队列中有新的任务时，工作线程可以从队列中获取并执行任务。当任务队列为空时，工作线程可以等待新的任务到来，从而实现线程的复用和任务的分配。
并行计算：在并行计算中，多个线程可以并行地执行不同的计算任务或者并行处理大规模数据。线程之间需要进行数据的交换和同步，以确保计算结果的正确性和一致性。
网络编程：在网络编程中，通常会涉及到客户端和服务器之间的通信。服务器可以通过多线程来处理多个客户端的连接请求，每个线程负责处理一个客户端的请求和响应。服务器线程之间需要进行通信，以便传递客户端的请求和数据。
图形界面应用程序：在 GUI 应用程序中，通常会涉及到用户界面的更新和事件处理。事件处理线程负责监听用户的输入事件，并根据事件类型执行相应的操作。当需要更新用户界面时，事件处理线程需要与界面线程进行通信，以实现对界面的更新和刷新。