记一次主线程等待子线程结束的多种方法的学习

在学习多线程时，最开始遇到的问题其实是“计算子线程运行时间”，写到最后发现本文和标题更为符合，但是仍然基于问题：“在主线程中获取子线程的运行时间”。

while循环

对于“主线程如何获取子线程总运行时间”的问题，最开始想到的是使用while循环进行轮询：

Thread t = new Thread(() -> {
    //子线程进行字符串连接操作
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
});
//开始计时
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
t.start();
long end = 0;
while(t.isAlive() == true){//t.getState() != State.TERMINATED这两种判断方式都可以
    end = System.currentTimeMillis();
}
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

但是这样太消耗CPU，所以我在while循环里加入了暂停：

while(t.isAlive() == true){
    end = System.currentTimeMillis();
    try {
        Thread.sleep(10);
    }catch (InterruptedException e){
        e.printStackTrace();
    }
}

这样做的结果虽然cpu消耗减少，但是数据不准确了

Thread的join()方法

接着我又找到了第二种方法：

long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
t1.start();
try {
    t.join();//注意这里
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - Start:" + (end - start));

使用join()方法，join()方法的作用，是等待这个线程结束；（t.join()方法阻塞调用此方法的线程(calling thread)，直到线程t完成，此线程再继续，这里贴个说的挺清楚的博客）

synchronized的等待唤醒机制

第二种方法的确实现了计时，接着我又想到了多线程的等待唤醒机制，思路是：子线程启动后主线程等待，子线程结束后唤醒主线程。于是有了下面的代码：

Object lock = new Object();
Thread t = new Thread(() -> {    
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
    lock.notify();//子线程唤醒
});
//计时
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
//启动子线程
t.start();
try {
    lock.wait();//主线程等待
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

但是这样会抛出两个异常：
运行结果
由于对wait()和notify()的理解并不是很深刻，所以我最开始并不清楚为什么会出现这样的结果，因为从报错顺序来看子线程并没有提前唤醒，于是我在segmentfault和CSDN都发出了提问，同时也询问了我一个很厉害的朋友，最后得出的结论是调用wait()方法时需要获取该对象的锁，Object文档里是这么说的：

The current thread must own this object's monitor.
IllegalMonitorStateException - if the current thread is not the owner of the object's monitor.

所以上面的代码需要改成这样：

Thread t = new Thread(() -> {
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
    synchronized (lock) {//获取对象锁
        lock.notify();//子线程唤醒
    }
});
//计时
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
//启动子线程
t.start();
try {
    synchronized (lock) {//这里也是一样
        lock.wait();//主线程等待
    }
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

这样的确得出了结果，但是我想知道两个线程的执行顺序，于是在wait和nitify前后分别加了一个输出，最后得出的运行结果是：

可以看出主线程先wait子线程再notify，也就是说，如果子线程在主线程wati前调用了nitify，会导致主线程无限等待，所以这个思路还是有一定的漏洞的。
关于wait和notify这里贴个挺清楚的博客

CountDownLatch

第四种方式可以等待多个线程结束，就是使用java.util.concurrent包下的CountDownLatch类（关于CountDownLatch的用法可以参考这篇简洁的博客）
简单来说，CountDownLatch类是一个计数器，可以设置初始线程数（设置后不能改变），在子线程结束时调用countDown()方法可以使线程数减一，最终为0的时候，调用CountDownLatch的成员方法wait()的线程就会取消BLOKED阻塞状态，进入RUNNABLE从而继续执行。下面上代码：

int threadNumber = 1;
final CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(threadNumber);//参数为线程个数

Thread t = new Thread(() -> {
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
    cdl.countDown();//此方法是CountDownLatch的线程数-1
});

long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
t.start();
//线程启动后调用countDownLatch方法
try {
    cdl.await();//需要捕获异常，当其中线程数为0时这里才会继续运行
}catch (InterruptedException e){
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

Future

又想到刚学习了线程池，线程池的submit()的返回对象Future接口有一个get()方法也可以阻塞当前线程（其实该方法主要用途是获取子线程的返回值），所以第五种方法也出来了：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);

Thread t = new Thread(() -> {
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
});
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
Future future = executorService.submit(t);//子线程启动
try {
    future.get();//需要捕获两种异常
}catch (InterruptedException e){
    e.printStackTrace();
}catch (ExecutionException e){
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));
executorService.shutdown();

这里, ThreadPoolExecutor 是实现了 ExecutorService的方法, sumbit的过程就是把一个Runnable接口对象包装成一个 Callable接口对象, 然后放到 workQueue里等待调度执行. 当然, 执行的启动也是调用了thread的start来做到的, 只不过这里被包装掉了. 另外, 这里的thread是会被重复利用的, 所以这里要退出主线程, 需要执行以下shutdown方法以示退出使用线程池. 扯远了.
这种方法是得益于Callable接口和Future模式, 调用future接口的get方法, 会同步等待该future执行结束, 然后获取到结果. Callbale接口的接口方法是 V call(); 是可以有返回结果的, 而Runnable的 void run(), 是没有返回结果的. 所以, 这里即使被包装成Callbale接口, future.get返回的结果也是null的.如果需要得到返回结果, 建议使用Callable接口.

参见这篇博客

看到这个Callable突然想到之前看C#多线程的时候有说到回调的问题，因此先开个坑，下篇博文说说Java的Callable与callback问题，先贴个Callable的简单讲解

BlockingQueue

同时，在concurrent包中，还提供了BlockingQueue（队列）来操作线程，BlockingQueue的主要的用法是在线程间安全有效的传递数据，具体用法可以参见这篇博客，对于BlockingQueue说的非常详细。因此，第六种方法也出来了：

BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1);//数组型队列，长度为1
Thread t = new Thread(() -> {
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
    try {
        queue.put("OK");//在队列中加入数据
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
t.start();
try {
    queue.take();//主线程在队列中获取数据，take()方法会阻塞队列，ps还有不会阻塞的方法
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

CyclicBarrier

那么，有没有第七种方式呢？当然有啦~，还是concurrent包，只不过这次试用CyclicBarrier类：

CyclicBarrier字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2);//参数为线程数
Thread t = new Thread(() -> {
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
    try {
        barrier.await();//阻塞
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
t.start();
try {
    barrier.await();//也阻塞,并且当阻塞数量达到指定数目时同时释放
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

实际是上面这种方法是不太严谨的，因为在子线程阻塞之后如果还有代码是会继续执行的，当然本例中后面是没有代码可执行了，可以近似理解为是子线程的运行时间。

这里贴个CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore的讲解博客

LockSupport

2021/11/27 更新
一楼@andrew-chen 说的跟对，只要阻塞了应该是都可以实现。
最近看到juc里面LockSupport这个类，也可以实现题目：

Thread mainThread = Thread.currentThread();
Thread t = new Thread(() -> {
    //子线程进行字符串连接操作
    int num = 1000;
    String s = "";
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        s += "Java";
    }
    System.out.println("t Over");
    LockSupport.unpark(mainThread);
});
//开始计时
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println("start = " + start);
t.start();
LockSupport.park();// 相当于暂停主线程
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end = " + end);
System.out.println("end - start = " + (end - start));

简单来说就是LockSupport.unpark(mainThread)方法会给mainThread方法发一张允许执行的许可，而LockSupport.park()方法会消耗掉许可，如果没有票就阻塞当前线程。（“许可”是不能叠加的，“许可”是一次性的）

小结

至此，集齐了七颗龙珠，得出小结：

  1. while循环进行轮询
  2. Thread类的join方法
  3. synchronized锁
  4. CountDownLatch
  5. Future
  6. BlockingQueue
  7. CyclicBarrier
  8. LockSupport

标签: Java, 多线程

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