Java函數的並發和多執行緒中如何實作執行緒間的通訊？

Java 執行緒通訊在並發和多執行緒中至關重要。共有四種常見方法：共享資料、等待-通知機制、並發佇列和交換器。共享資料涉及使用共享變數或對象，等待-通知機制允許執行緒等待特定條件，並發佇列提供執行緒安全的資料結構，而交換器允許配對執行緒在準備好時交換資料。

Java 執行緒通訊：並發與多執行緒中執行緒之間的通訊

在Java 的並發程式設計中，執行緒通信是實現協作和資源共享的關鍵。有多種機制可用於在多個執行緒之間傳遞訊息並協調其行為。本教學將探討 Java 中執行緒通訊的常見方法，並透過實戰案例進行說明。

1. 共享資料

最簡單的執行緒通訊方式是在執行緒之間共享公共變數或物件。要實現這一點，可以使用 volatile 關鍵字來確保變數的可見性和有序性。

// 共享变量
public class SharedData {
    public volatile int value;
}

// 线程 1
public void increment() {
    sharedData.value++;
}

// 线程 2
public void decrement() {
    sharedData.value--;
}

2. 等待-通知機制

使用Object 的wait() 和notify() 方法，執行緒可以等待其他執行緒通知特定條件已滿足。這允許執行緒在事件發生之前進入休眠狀態，從而避免不必要的 CPU 使用。

// 生产者-消费者模型
public class WaitNotify {

    private final Queue<Integer> queue;
    private final Object lock = new Object();

    // 生产者线程
    public void produce() {
        synchronized (lock) {
            while (queue.size() >= maxSize) {
                lock.wait();
            }
            queue.add(value);
            lock.notifyAll();
        }
    }

    // 消费者线程
    public void consume() {
        synchronized (lock) {
            while (queue.isEmpty()) {
                lock.wait();
            }
            value = queue.remove();
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

3. 並發隊列

Java 提供了 ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等並發隊列類，這些類可以安全地在多個執行緒之間共用。它們使用內部鎖定機制來確保操作的正確性。

// 使用 ConcurrentLinkedQueue
public class ConcurrencyQueue {

    private final ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

    // 生产者线程
    public void produce() {
        queue.add(value);
    }

    // 消费者线程
    public void consume() {
        Integer value = queue.poll();
    }
}

4. 交換器

交換器允許執行緒在配對後進行通訊。當所有執行緒都準備好交換資料時，交換器會釋放所有執行緒。

// 使用 Exchanger
public class ExchangerExample {

    private final Exchanger<Integer> exchanger = new Exchanger<>();

    // 线程 1
    public void exchange() {
        try {
            Integer value = exchanger.exchange(value); // 交换值
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 线程 2
    public void exchange() {
        try {
            Integer value = exchanger.exchange(value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

透過這些機制，可以實現執行緒之間的有效通信，從而建立複雜的高並發應用程式。選擇最合適的通訊方法取決於特定的應用程式需求和效能考量。

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