Kotlin：该如何实现多线程同步？

2023-11-21 07:54:27

问题背景
需执行多线程任务：任务1、任务2并行执行；等全部执行完成后，执行任务3。

// 每个 任务 通过 sleep 模拟耗时
val task1: () -> String = {
    sleep(2000)
    "Hello".also { println("task1 finished: $it") }
}

val task2: () -> String = {
    sleep(2000)
    "World".also { println("task2 finished: $it") }
}

val task3: (String, String) -> String = { p1, p2 ->
    sleep(2000)
    "$p1 $p2".also { println("task3 finished: $it") }
}

实现方式
「多线程同步」。Kotlin实现多线程同步的方式主要包括：（含Java实现方式）

方式1：Thread.join
方式2：线程锁：Synchronized、ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier
方式3：CAS
方式4：Future（CompletableFuture）
方式5：Rxjava
方式6：协程Coroutine、Flow
方式1：Thread.join()
这是最简单的线程同步方式

@Test
fun test_join() {
    lateinit var s1: String
    lateinit var s2: String

    val t1 = Thread { s1 = task1() }
    val t2 = Thread { s2 = task2() }
    t1.start()
    t2.start()

    t1.join()
    t2.join()
    
    task3(s1, s2)

}

方式2：线程锁
主要包括：Synchronized、ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier

Synchronized

 @Test
    fun test_synchrnoized() {
        lateinit var s1: String
        lateinit var s2: String

        Thread {
            synchronized(Unit) {
                s1 = task1()
            }
        }.start()
        s2 = task2()

        synchronized(Unit) {
            task3(s1, s2)
        }

    }

这里需要特别注意的是：为了同步多个并行任务的结果则需要声明n个锁，即需嵌套n个 synchronized

ReentrantLock
相对于Synchronized，ReentrantLock的使用则不会出现嵌套 synchrnoized 的问题，但仍需创建多个 lock 从而管理多个不同的线程任务。

fun test_ReentrantLock() {

    lateinit var s1: String
    lateinit var s2: String

    val lock = ReentrantLock()
    Thread {
        lock.lock()
        s1 = task1()
        lock.unlock()
    }.start()
    s2 = task2()

    lock.lock()
    task3(s1, s2)
    lock.unlock()

}

这里需要额外说明的是，阻塞队列BlockingQueue内部是通过ReentrantLock实现的，所以其也能实现线程同步，但其应用场景是：生产/消费场景中的同步

fun test_blockingQueue() {

    lateinit var s1: String
    lateinit var s2: String

    val queue = SynchronousQueue<Unit>()

    Thread {
        s1 = task1()
        queue.put(Unit)
    }.start()

    s2 = task2()

    queue.take()
    task3(s1, s2)
}

CountDownLatch
JUC 中的锁大都基于 AQS 实现的，可以分为独享锁和共享锁。ReentrantLock 就是一种独享锁。相比之下，共享锁更适合本场景，不需为了每个任务都创建单独的锁。

 @Test
    fun test_countdownlatch() {

        lateinit var s1: String
        lateinit var s2: String
        val cd = CountDownLatch(2)
        Thread() {
            s1 = task1()
            cd.countDown()
        }.start()

        Thread() {
            s2 = task2()
            cd.countDown()
        }.start()

        cd.await()
        task3(s1, s2)
    }

CyclicBarrier
原理：让一组线程到达一个同步点后再一起继续运行，其中任意一个线程未达到同步点，其他已到达的线程均会被阻塞。

 @Test
    fun test_CyclicBarrier() {

        lateinit var s1: String
        lateinit var s2: String
        val cb = CyclicBarrier(3)

        Thread {
            s1 = task1()
            cb.await()
        }.start()

        Thread() {
            s2 = task1()
            cb.await()
        }.start()

        cb.await()
        task3(s1, s2)

    }

需要特别注意的是：与 CountDownLatch 的区别在于 CountDownLatch 是一次性的，而 CyclicBarrier 可以被重置后循环利用

方式3：CAS
原理：基于 CAS 的原子类计数
应用场景：一些cpu密集型的短任务同步（因为会比较损耗资源）

fun test_cas() {

    lateinit var s1: String
    lateinit var s2: String

    val cas = AtomicInteger(2)

    Thread {
        s1 = task1()
        cas.getAndDecrement()
    }.start()

    Thread {
        s2 = task2()
        cas.getAndDecrement()
    }.start()

    while (cas.get() != 0) {}
    task3(s1, s2)
}

这里需要特别说明的是，看到 CAS 的无锁实现，很多人会想到 volatile：并非线程安全，因为volatile 能保证可见性，但是不能保证原子性，cnt-- 并非线程安全，需要加锁操作

fun test_Volatile() {
    lateinit var s1: String
    lateinit var s2: String

    Thread {
        s1 = task1()
        cnt--
    }.start()

    Thread {
        s2 = task2()
        cnt--
    }.start()

    while (cnt != 0) {
    }
    task3(s1, s2)
}

方式4：Future
Java 1.5 开始提供了一种可以在任务执行结束时返回结果的线程同步方式：Callable 和 Future 。即不需通过定义变量来记录结果了。

// 通过 `future.get()`，可以同步等待结果返回，写起来非常方便
fun test_future() {

    val future1 = FutureTask(Callable(task1))
    val future2 = FutureTask(Callable(task2))

    Executors.newCachedThreadPool().execute(future1)
    Executors.newCachedThreadPool().execute(future2)

    task3(future1.get(), future2.get())
}

这里需要特别说明的是，future.get() 虽然方便，但是会阻塞线程。所以在 Java 8 中引入了 CompletableFuture ：他实现了 Future 接口的同时实现了 CompletionStage 接口，即可针对多个 CompletionStage 进行逻辑组合、实现复杂的异步编程。以回调的形式避免了线程阻塞

fun test_CompletableFuture() {
    CompletableFuture.supplyAsync(task1)
        .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(task2)) { p1, p2 ->
             task3(p1, p2)
        }.join()
}

方式5：RxJava
RxJava 提供线程同步操作符：

1.subscribeOn 用来启动异步任务
2.zip 操作符可以组合两个 Observable 的结果

fun test_Rxjava() {

    Observable.zip(
        Observable.fromCallable(Callable(task1))
            .subscribeOn(Schedulers.newThread()),
        Observable.fromCallable(Callable(task2))
            .subscribeOn(Schedulers.newThread()),
        BiFunction(task3)
    ).test().awaitTerminalEvent()
}

方式6协程：Coroutine、Flow
Coroutine 是 Kotlin 特有的线程同步方式（前面的方式，其实都是 Java 包本身的线程同步方式。）

fun test_coroutine() {

    runBlocking {
        val c1 = async(Dispatchers.IO) {
            task1()
        }

        val c2 = async(Dispatchers.IO) {
            task2()
        }

        task3(c1.await(), c2.await())
    }
}

这里需要特别介绍的是，Kotlin版的 RxJava-协程加强版Flow，使用方式类似RxJava 的操作符，如 zip:

fun test_flow() {

    val flow1 = flow<String> { emit(task1()) }
    val flow2 = flow<String> { emit(task2()) }
        
    runBlocking {
         flow1.zip(flow2) { t1, t2 ->
             task3(t1, t2)
        }.flowOn(Dispatchers.IO)
        .collect()
// flowOn 使得 Task 在异步计算并发射结果。
    }

}

最后：后续会持续更新哦，喜欢的话就点赞关注一下吧。
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