多线程通信：巧用多线程通信方式让程序更高效

后端

2023-08-15 12:31:17

多线程通信：打破线程界限

前言

在多核处理器的时代，多线程编程已成为程序员的必备技能。多线程编程允许程序同时执行多个任务，从而显著提高效率。然而，多线程编程也引入了新的挑战——线程间通信。

多线程通信的重要性

多线程通信是指线程之间的数据交换。在多线程程序中，线程需要共享数据并协作完成任务，因此多线程通信至关重要。

多线程通信的挑战

多线程通信面临着诸多挑战，包括：

数据竞争（Data Race）： 当多个线程同时访问共享变量并至少有一个线程正在写入时，可能会发生数据竞争，导致不可预期的结果。
死锁（Deadlock）： 当多个线程相互等待对方释放资源时，可能会发生死锁，导致所有线程无法继续执行。
饥饿（Starvation）： 当一个线程长期得不到执行机会时，可能会发生饥饿，导致该线程无法完成任务。

多线程通信的方式

计算机科学家们提出了多种多线程通信方式，主要分为两类：

共享内存通信： 线程通过共享内存交换数据，速度快，开销小，但存在数据竞争和死锁风险。
消息传递通信： 线程通过发送和接收消息交换数据，安全可靠，不会发生数据竞争和死锁，但速度慢，开销大。

5 种主流的多线程通信方式

1. 共享变量

共享变量是最简单直接的多线程通信方式，允许多个线程访问同一个内存地址，但存在数据竞争和死锁风险。

代码示例：

int sharedVariable = 0;

Thread thread1 = new Thread(() -> {
  sharedVariable++;
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
  sharedVariable++;
});

thread1.start();
thread2.start();

2. 信号量

信号量是一种特殊变量，用于控制对共享资源的访问。通过 P 操作和 V 操作，信号量可以解决数据竞争和死锁问题。

代码示例：

Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

Thread thread1 = new Thread(() -> {
  semaphore.acquire();
  // 临界区代码
  semaphore.release();
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
  semaphore.acquire();
  // 临界区代码
  semaphore.release();
});

thread1.start();
thread2.start();

3. 管道

管道是一种单向数据流，数据从一端写入，从另一端读取，常用于进程或线程间的数据传输。

代码示例：

PipedInputStream in = new PipedInputStream();
PipedOutputStream out = new PipedOutputStream(in);

Thread thread1 = new Thread(() -> {
  out.write("Hello, world!".getBytes());
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
  byte[] buffer = new byte[1024];
  int bytesRead = in.read(buffer);
  String message = new String(buffer, 0, bytesRead);
  System.out.println(message);
});

thread1.start();
thread2.start();

4. 消息队列

消息队列是一种 FIFO（先进先出）数据结构，线程可以向队列中放入消息，其他线程可以从中获取消息，常用于进程或线程间的数据传输，且不共享内存。

代码示例：

MessageQueue messageQueue = new MessageQueue();

Thread thread1 = new Thread(() -> {
  messageQueue.put("Hello, world!");
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
  String message = (String) messageQueue.take();
  System.out.println(message);
});

thread1.start();
thread2.start();

5. 套接字

套接字是一种双向数据流，数据从一端发送，从另一端接收，常用于网络通信。

代码示例：

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
Socket socket = serverSocket.accept();

OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("Hello, world!".getBytes());

InputStream in = socket.getInputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead = in.read(buffer);
String message = new String(buffer, 0, bytesRead);
System.out.println(message);