Java多线程(四)-线程通信

一月 23, 2021 java 本文总阅读量次

前言

当线程在系统内运行时，程序无法精准控制线程轮换执行，Java提供了一些机制来保证线程协调运行。

`synchronized`线程通信相关方法

借助Object类提供的wait(),notify(),notifyAll()三个方法(不属于Thread类)，但这三个必须由同步监视器调用，这可以分成以下情况：

对于同步方法，该类的默认实例(this)就是同步监视器，所以可以在同步方法中直接调用这三个方法。
对于同步代码块，同步监视器是synchronized后括号里的对象，所以要使用该对象调用。

关于这三个方法的解释：

wait()：让当前线程等待，直到其他线程调用该同步监视器的notify()或notifyAll()方法来唤醒线程。无参则一直等待，带参则等待long millis毫秒时间自动唤醒。
notify()：唤醒在此同步监视器上等待的单个线程，如果有多个线程在等待同步监视器，则随机唤醒其中一个线程。只有当前线程主动放弃锁，被唤醒线程才获得执行。
notifyAll()：唤醒在此同步监视器上等待的所有线程。

使用`Condition`的线程通信

如果不使用synchronized关键字保证线程同步，而使用Lock对象保证线程同步，则系统中不存在隐式的同步监视器，也就不能使用wait()，notify()，notifyAll()方法进行线程通信。因此，当使用Lock对象来保证同步时，Java提供了Condition类来保证协调，使用Condition可以让那些已经得到Lock对象却无法执行的线程释放Lock对象，同时也能唤醒其他处于等待的线程。

Condition将同步监视器的方法(wait()，notify()，notifyAll())分成不同的对象，便于与Lock对象结合，Lock代替了同步方法和代码块，Condition代替了同步监视器功能。Condition实例被绑定在Lock对象上，想要获得Lock对象的Condition实例，就要调用Lock对象的newCondition()方法。

Condition类提供如下方法：

await()：类似隐式同步监视器的wait()方法，导致当前线程等待，直到其他线程调用该Condition的signal()或signalAll()方法来唤醒该线程。衍生的方法有很多，awaitUninterruptibly()，awaitUntil(Date deadline)。
signal()：唤醒在此Lock对象上等待的单个线程，若有多个线程等待，则随机唤醒其中一个。
signalAll()：唤醒所有在此Lock对象等待的所有线程，只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后才可以执行被唤醒的线程。

使用阻塞队列(`BlockingQueue`)的线程通信

Java5提供了一个BlockingQueue接口，是Queue的子接口，但它的主要途径并不是容器，而是作为线程同步的工具。BlockingQueue具有一个特征：当生产者线程试图向BlockingQueue中放入元素时，如果该队列已满，则该线程被阻塞，当消费者线程试图从BlockingQueue中取出元素时，如果该队列为空，则该线程被阻塞。

程序的两个线程交替向BlockingQueue中放入，取出元素，就能控制线程通信。BlockingQueue提供了如下两个方法：

put(T t)：把T元素放入BlockingQueue中，如果该队列已满，则阻塞该线程。
take()：从BlockingQueue的头部取出元素，如果该队列的元素已空，则阻塞该线程。

BlockingQueue继承了Queue接口，当然也可以使用Queue接口中的方法。

在队尾插入元素。包括add(T t)，offer(T t)，put(T t)方法，当队列已满，这三个方法分别会抛出异常，返回false，阻塞队列。
在队首删除并返回元素。包括remove()、poll()、take()方法，当队列为空时，这三个方法分别会抛出异常，返回false，阻塞队列。
在队首仅仅取出元素。包括element()、peek()方法，当队列为空，方法分别抛出异常和返回false。

可用如下表格表示：

	抛出异常	返回false	阻塞线程	指定超时时长
队列已满时，队尾插入元素	add()	offer()	put()	offer(e,time,unit)
队列已空时，队首删除元素	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
队列已空时，队首取出元素	element()	peek()

BlockingQueue包含以下几个实现类：

ArrayBlockingQueue：基于数组实现的BlockingQueue队列。
LinkedBlockingQueue：基于链表实现的BlockingQueue队列。
SynchronousQueue：同步队列，对该队列的存取必须交替进行。
PriorityBlockingQueue：不是标准的阻塞队列，与PriorityQueue类似，该队列调用remove()，poll()，take()方法取出元素时，并不是取出队列中存在时间最长的元素，而是最小的元素。判断元素大小可根据元素(实现Comparable接口)的本身大小进行自然排序，也可使用Comparator自定义排序。
DelayQueue：底层基于PriorityBlockingQueue实现，要求元素都实现Delay接口，接口里只有一个long getDelay()方法，DelayQueue根据元素的getDelay()方法的返回值进行排序。

public class BlockingQueueTest{
    public static void main(Strings[] args) throws Exception{
        BlockingQueue<String> b = new ArrayBlockingQueue<>(2);
        b.put("阻塞队列");
        b.put("阻塞队列");
        b.put("阻塞队列");//队列已满，阻塞线程
    }
}

线程组和未处理异常

Java使用ThreadGroup来表示线程组，它可以对一批线程进行管理，允许程序直接对线程进行控制。如果没有显式指定创建的线程属于哪个线程组，则属于默认线程组。默认情况下，子线程和创建它的线程属于同一线程组。一旦线程加入了指定的线程组，则该线程一直属于该线程组，直至死亡不能改变。

Thread类提供了如下几个构造器来设置创建的线程属于哪个线程组：

Thread(ThreadGroup group,Runnable target)：以target的run方法作为线程执行体创建新的线程，属于group线程组
Thread(ThreadGroup group,Runnable target,String name):同样的，只不过指定了创建的线程名字。
Thread(ThreadGroup group,String name)：创建新线程，指定线程名。

虽然不能改变所在指定的线程组，但可以通过getTreadGroup()方法返回所属线程组，返回值是ThreadGroup对象。而ThreadGroup类提供了两个构造器创建相应实例：

ThreadGroup(String name)：以指定的线程组名字来创建新的线程组。
ThreadGroup(ThreadGroup parent,String name)：以指定的的名字和父线程组创建新的线程组。

通过以上构造器可以发现，线程组必然有一个名字，这个名字可以通过ThreadGroup的getName()方法获取，但是不允许改变线程组的名字，也就没有set方法。除了构造器，ThreadGroup还提供了几个方法来操作线程组里的所有线程：

activeCount()：返回线程组中活动线程的数目。
interrupt()：中断此线程组的所有线程。
isDaemon()：判断该线程组是否是后台线程组。
setDaemon()：把线程组设置为后台线程组，若后台线程组的最后一个线程死亡，则线程组自动毁灭。
setMaxPriority(int p)：设置线程组的最高优先级。

此外，线程组对于出现的异常也提供了一个方法void uncaughtException(Thread t,Throwable e)，该方法可以处理该线程组内的任意线程所抛出的未处理异常。如果线程抛出一个异常，JVM会在线程结束前自动查找对应的Thread.UncaughtExceptionHandler对象，如果找到该异常处理器对象，则会调用该对象的uncaughtException(Thread t,Throwable e)方法处理异常。

Thread.UncaughtExceptionHandler是Thread类的一个静态内部接口，里面只有一个方法uncaughtException(Thread t,Throwable e)，t代表异常的线程，e代表抛出的异常。Thread类提供了如下方法来设置异常处理器：

static setDefaultUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler h)：为该线程类的所有实例设置默认异常处理器。
setUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler h)：为线程实例设置异常处理器。

ThreadGroup类实现了Thread.UncaughtExceptionHandler接口，所以每个线程的线程组都将作为默认的异常处理器。当一个线程抛出异常时，JVM会先查找线程实例指定的异常处理器，否则会调用所属线程组对象的uncaughtException()方法(默认的异常处理器)处理异常。

线程组默认异常处理器处理过程如下：

如果该线程组有父线程组，则调用父线程组的uncaughtException()方法处理。
如果该线程所属的默认线程组有默认异常处理器，那么就调用该异常处理器处理。
如果该异常是ThreadDeath的对象，则不做任何处理，否则将异常跟踪栈的信息打印到System.err输出流，并结束该线程。

Class MyHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler{//自定义处理器
    public void uncaughtException(Thread t,Throwable e){
        System.out.println(t+" 出现异常 "+e);
    }
}
public class ExHandler{
    public static void main(String[] args){
        Thread.currentThread().setUncaughtExceptionHandler(new MyExHandler());
        int a = 1/0;//ArithmeticException
        System.out.println("程序已结束！");//不会正常结束，所以不会输出
    }
}

上诉代码虽然捕获了异常，但是出现不会正常结束。因为与try...catch异常捕获不同，异常处理器对异常进行处理后会将异常抛给上一级调用者，而catch捕获异常不会。

前言

synchronized线程通信相关方法

使用Condition的线程通信

使用阻塞队列(BlockingQueue)的线程通信

线程组和未处理异常

`synchronized`线程通信相关方法

使用`Condition`的线程通信

使用阻塞队列(`BlockingQueue`)的线程通信