Java线程之间的共享与协作详解

Java中的线程通常需要协作和共享资源。在这篇文章中，我们将学习如何共享数据以及如何在多个线程之间协作。我们将从基本的概念开始，从一个简单的示例开始，然后深入研究线程的同步和互斥机制。最后，我们将介绍Java5中的并发工具包。

线程之间的数据共享

Java中的线程可以访问自己创建的对象。如果你创建了一个对象并将其传递给多个线程，则这些线程可以同时访问该对象。

例如，考虑以下代码片段：

class MyObject {
   private int counter = 0;
   public int getCounter() {
      return counter;
   }
   public void incrementCounter() {
      counter++;
   }
}

在这里，我们定义了一个类MyObject，它有一个计数器字段和两个方法：getCounter（）和incrementCounter（）。注意，counter字段是私有的，这意味着它只能由该类中的方法访问。

如果我们创建了多个线程来访问MyObject对象，则它们可以同时访问counter字段，因为它是MyObject的实例字段。例如，我们可以使用以下代码片段：

MyObject obj = new MyObject();
Runnable r = () -> {
   for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      obj.incrementCounter();
   }
};
Thread t1 = new Thread(r);
Thread t2 = new Thread(r);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(obj.getCounter());

这段代码创建了两个线程，它们都调用obj.incrementCounter（）方法1000000次。最后，我们打印出了计数器的最终值。由于两个线程同时增加计数器的值，最终的计数器值应该是2000000。

线程之间的协同

除了共享数据外，线程之间还需要协作。例如，一个线程可能需要等待另一个线程完成某项任务。在Java中，你可以使用以下构造来实现线程之间的协作：

wait()：使线程等待某些条件满足。

notify()：通知等待的线程某些条件已经满足。

notifyAll()：通知等待的线程所有条件已经满足。

这些方法只能在同步代码块中调用，而同步代码块要么使用synchronized方法，要么使用synchronized块。

让我们看一个例子。假设我们有两个线程，一个生产者和一个消费者，它们共享一个队列。

class MyQueue {
   private List<String> buffer = new ArrayList<>();
   public synchronized void put(String value) {
      buffer.add(value);
      notify();
   }
   public synchronized String take() {
      while (buffer.isEmpty()) {
         try {
            wait();
         } catch (InterruptedException e) {
            // ignore
         }
      }
      return buffer.remove(0);
   }
}

在这里，我们定义了一个类MyQueue，它有一个buffer字段和两个方法：put（）和take（）。put（）方法允许生产者将元素添加到队列中，而take（）方法允许消费者从队列中获取元素。注意，put（）和take（）方法都是synchronized方法，这将使这些方法成为临界区域，这些方法在同时只能被一个线程执行。此外，put（）和take（）方法都包含wait（）和notify（）方法。

当生产者调用put（）方法时，它将元素添加到队列中并调用notify（）方法。notify（）方法将通知正在等待的线程，即消费者线程，某些条件已经满足。当一个消费者调用take（）方法时，它将在队列为空时一直等待。在等待期间，消费者线程调用wait（）方法进入等待状态。当一个生产者调用put（）方法并添加元素时，它将调用notify（）方法，这将通知消费者线程，队列中有新元素可用。

同步和互斥

上面的示例中，我们使用了synchronized方法来实现同步和互斥。实际上，Java提供了多种不同的同步和互斥机制。

synchronized方法和synchronized块：这些机制可以保证同一时间只有一个线程可以在临界区域中执行。当然，它们比较简单，但也比较局限。

ReentrantLock：这是Java5中引入的一个新特性。它提供了更灵活的方式来管理锁。它允许线程获取锁并尝试多次获取锁。它还提供了一些高级功能，如超时、可中断锁和公平性设置。

Semaphore：它允许多个线程同时访问某个资源。例如，你可以使用Semaphore管理有限的数据库连接池，这样多个线程可以同时获取数据库连接。

CountDownLatch：它允许一个或多个线程等待一个或多个其他线程完成操作。例如，你可以创建一个CountDownLatch，该CountDownLatch等待一组线程完成它们的操作，然后实现一个主要的启动器线程，该主要的启动器线程等待这些线程的完成。

CyclicBarrier：它允许一组线程等待彼此操作完成。例如，你可以创建一个CyclicBarrier，该CyclicBarrier等待多个线程完成相同的操作，然后实现一个主要的启动器线程，该主要的启动器线程等待这些线程完成其操作。

Java5的并发工具包

随着Java5的到来，Java引入了一个新的并发工具包。这个包提供了一些高级的、线程安全的数据结构和锁，例如：ConcurrentHashMap，BlockingQueue，Semaphore，CountDownLatch等等。通过使用这些新的工具，你可以更容易地实现高性能和线程安全的应用程序。

结论

Java中的线程可以轻松地共享数据和协同工作。我们可以使用wait（）和notify（）方法来实现线程之间的协同，而synchronized块和synchronized方法可以用来保证同步和互斥。此外，Java5引入了一个新的并发工具包，它提供了一些高级特性来更轻松地实现并发应用程序。