大厂高频面试题——如何完全同时启动两个线程？

2023-12-10 12:26:45

在很多面试场景和真实工作场景中，我们都会碰到多线程编程。多线程编程允许我们并发运行线程，其中每个线程可以处理不同的任务。因此，它可以最佳地利用系统资源，尤其当我们的计算机拥有多核 CPU 或多个 CPU 时。

有时，我们想控制多个线程同时启动。

在这篇文章里，我们首先要了解 “同时” 的含义。此外，我们将讨论如何在 Java 中同时启动两个线程。

一、可以完全同时启动线程吗？

我们的目标是：“同时启动两个线程。”

这个目标看起来很容易理解。但是，如果我们仔细思考一下，完全同时启动两个线程真的可能吗？

首先，每个线程都会消耗CPU时间来工作。因此，如果我们的应用程序运行在具有单核 CPU 的计算机上，就不可能完全同时启动两个线程。

但是如果我们的计算机有一个多核CPU或多个CPU，两个线程是可以在某个时间点同时启动的。但是，我们无法在 Java 代码层面控制。

这是因为当我们在 Java 中使用线程时，Java 的线程调度依赖于操作系统的线程调度。而不同的操作系统可能会有不同的处理方式。

此外，如果我们以更严格的方式讨论“完全相同的时间”，根据爱因斯坦的狭义相对论：

如果两个不同的事件在空间上是分开的，就不可能在绝对意义上说这两个不同的事件同时发生。——爱因斯坦

无论我们的 CPU 位于主板上或位于 CPU 中的内核有多近，它们之间总有缝隙。因此，我们不能确保两个线程完全同时启动。

但是，即使我们不能让两个线程在同一时间启动，我们仍可以使用一些同步手段让它们的启动间隔非常短暂。

当我们需要两个线程“同时”启动时，这些技术可以在大多数实际情况下帮助我们。

在本文，我们将介绍三种解决此问题的方法：

使用 CountDownLatch 类
使用 CyclicBarrier 类
使用 Phaser 类

这几个方法都遵循相同的思路：我们不会真正同时启动两个线程。相反，我们在线程启动后立即阻塞线程并尝试同时恢复它们的执行。

二、通过CountDownLatch实现同时启动两个线程

CountDownLatch是 Java 5 中作为java.util.concurrent包的一部分引入的同步器。通常，我们使用CountDownLatch来阻塞线程，直到其他线程完成它们的任务。

简单地说，我们在CountDownLatch对象中设置一个计数，并将CountDownLatch对象与一些线程相关联。当我们启动这些线程时，它们将被阻塞，直到CountDownLatch的计数变为零。

另一方面，在其他线程中，我们可以控制在什么情况下我们减少计数，让被阻塞的线程恢复，例如，当主线程中的某些任务完成时。

工作线程

现在，让我们看看如何使用CountDownLatch类解决我们的问题。

首先，我们将创建我们的Thread类。我们称之为WorkerWithCountDownLatch：

public class WorkerWithCountDownLatch extends Thread {
  private CountDownLatch latch;

  public WorkerWithCountDownLatch(String name, CountDownLatch latch) {
    this.latch = latch;
    setName(name);
  }

  @Override public void run() {
    try {
      System.out.printf("[ %s ] created, blocked by the latch...\n", getName());
      latch.await();
      System.out.printf("[ %s ] starts at: %s\n", getName(), Instant.now());
      // do actual work here...
    } catch (InterruptedException e) {
      // handle exception
    }
  }

我们在WorkerWithCountDownLatch 类中添加了一个CountDownLatch 对象。首先我们来了解一下CountDownLatch 对象的作用。

在run()方法中，我们调用了latch.await()方法。这意味着，如果我们启动工作线程，它将检查CountDownLatch 的计数。线程将被阻塞，直到计数为零。

这样，我们就可以在主线程中创建一个count=1的CountDownLatch(1)，并将锁对象与我们想要同时启动的两个工作线程相关联。

当我们希望两个线程继续执行它们的实际工作时，我们通过在主线程中调用latch.countDown()来释放锁。

接下来我们来看看主线程是如何控制这两个工作线程的。

主线程

我们将在usingCountDownLatch()方法中实现主线程：

private static void usingCountDownLatch() throws InterruptedException {
  System.out.println("===============================================");
  System.out.println("    >>> Using CountDownLatch <<<<");
  System.out.println("===============================================");

  CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

  WorkerWithCountDownLatch worker1 = new WorkerWithCountDownLatch("Worker with latch 1", latch);
  WorkerWithCountDownLatch worker2 = new WorkerWithCountDownLatch("Worker with latch 2", latch);

  worker1.start();
  worker2.start();

  Thread.sleep(10);//simulation of some actual work

  System.out.println("-----------------------------------------------");
  System.out.println(" Now release the latch:");
  System.out.println("-----------------------------------------------");
  latch.countDown();
}

现在，让我们从main()方法调用上面的usingCountDownLatch ()方法。当我们运行 main()方法时，我们会看到输出：

===============================================
    >>> Using CountDownLatch <<<<
===============================================
[ Worker with latch 1 ] created, blocked by the latch
[ Worker with latch 2 ] created, blocked by the latch
-----------------------------------------------
 Now release the latch:
-----------------------------------------------
[ Worker with latch 2 ] starts at: 2021-06-27T16:00:52.268532035Z
[ Worker with latch 1 ] starts at: 2021-06-27T16:00:52.268533787Z

如上面的输出所示，两个工作线程几乎同时启动。两个开始时间之间的差异小于两微秒。

三、使用CyclicBarrier 类

CyclicBarrier 类是Java 5 开始引入的另一个同步器，CyclicBarrier允许固定数量的线程互相等待，直到都完成了某件事情。

接下来，让我们看看如何使用CyclicBarrier类解决同时启动的问题。

工作线程

我们先来看看工作线程的实现：

public class WorkerWithCyclicBarrier extends Thread {
  private CyclicBarrier barrier;

  public WorkerWithCyclicBarrier(String name, CyclicBarrier barrier) {
    this.barrier = barrier;
    this.setName(name);
  }

  @Override public void run() {
    try {
      System.out.printf("[ %s ] created, blocked by the barrier\n", getName());
      barrier.await();
      System.out.printf("[ %s ] starts at: %s\n", getName(), Instant.now());
      // do actual work here...
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
      // handle exception
    }
  }
}

实现非常简单。我们将CyclicBarrier对象与工作线程相关联。当线程启动时，我们立即调用barrier.await() 方法。

这样，工作线程就会被阻塞，等待其它都调用了 barrier.await() 后才恢复运行。

主线程

接下来我们看看主线程中如何控制两个工作线程的恢复：

private static void usingCyclicBarrier() throws BrokenBarrierException, InterruptedException {
  System.out.println("\n===============================================");
  System.out.println("    >>> Using CyclicBarrier <<<<");
  System.out.println("===============================================");

  CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);

  WorkerWithCyclicBarrier worker1 = new WorkerWithCyclicBarrier("Worker with barrier 1", barrier);
  WorkerWithCyclicBarrier worker2 = new WorkerWithCyclicBarrier("Worker with barrier 2", barrier);

  worker1.start();
  worker2.start();

  Thread.sleep(10);//simulation of some actual work

  System.out.println("-----------------------------------------------");
  System.out.println(" Now open the barrier:");
  System.out.println("-----------------------------------------------");
  barrier.await();
}

我们的目标是让两个工作线程同时恢复。所以，加上主线程，我们一共有三个线程。

如上方法所示，我们在主线程中创建了一个包含计数为3的CyclicBarrier对象。接下来，我们创建并启动两个工作线程。

正如我们之前所讨论的，两个工作线程被阻塞并等待屏障打开以恢复。

在主线程中，我们可以做一些实际的工作。当我们决定打开barrier时，我们调用barrier.await() 方法让两个worker继续执行。

如果我们在 main()方法中调用usingCyclicBarrier()，我们将得到输出：

===============================================
    >>> Using CyclicBarrier <<<<
===============================================
[ Worker with barrier 1 ] created, blocked by the barrier
[ Worker with barrier 2 ] created, blocked by the barrier
-----------------------------------------------
 Now open the barrier:
-----------------------------------------------
[ Worker with barrier 1 ] starts at: 2021-06-27T16:00:52.311346392Z
[ Worker with barrier 2 ] starts at: 2021-06-27T16:00:52.311348874Z

我们可以比较两个工作线程的开始时间。即使两个工作线程没有在完全相同的时间开始，我们也非常接近我们的目标：两个开始时间之间的差异小于三微秒。

四、使用Phaser类

Phaser 是Java 7开始引入的，很类似CyclicBarrier和CountDownLatch。但是，Phaser类更灵活。

例如，与CyclicBarrier和CountDownLatch不同，Phaser允许我们动态注册线程。

接下来，让我们使用Phaser解决问题。

工作线程

像之前一样，我们先看一下实现，然后了解它是如何工作的：

public class WorkerWithPhaser extends Thread {
  private Phaser phaser;

  public WorkerWithPhaser(String name, Phaser phaser) {
    this.phaser = phaser;
    phaser.register();
    setName(name);
  }

  @Override public void run() {
    try {
      System.out.printf("[ %s ] created, blocked by the phaser\n", getName());
      phaser.arriveAndAwaitAdvance();
      System.out.printf("[ %s ] starts at: %s\n", getName(), Instant.now());
      // do actual work here...
    } catch (IllegalStateException e) {
      // handle exception
    }
  }
}

当工作线程被实例化时，我们通过调用phaser.register()将当前线程注册到给定的 Phaser 对象。这样，当前的工作就变成了Phaser 的一个线程方。

接下来，当工作线程启动时，我们立即调用phaser.arriveAndAwaitAdvance()。因此，我们告诉 phaser 当前线程已经到达，并将等待其他线程方的到达继续进行。当然，在其他线程方到来之前，当前线程是被阻塞的。

主线程

接下来，我们继续看主线程的实现：

private static void usingPhaser() throws InterruptedException {
  System.out.println("\n===============================================");
  System.out.println("    >>> Using Phaser <<<");
  System.out.println("===============================================");

  Phaser phaser = new Phaser();
  phaser.register();

  WorkerWithPhaser worker1 = new WorkerWithPhaser("Worker with phaser 1", phaser);
  WorkerWithPhaser worker2 = new WorkerWithPhaser("Worker with phaser 2", phaser);

  worker1.start();
  worker2.start();

  Thread.sleep(10);//simulation of some actual work

  System.out.println("-----------------------------------------------");
  System.out.println(" Now open the phaser barrier:");
  System.out.println("-----------------------------------------------");
  phaser.arriveAndAwaitAdvance();
}

在上面的代码中，我们可以看到，主线程将自己注册为Phaser对象的线程方。

在我们创建并阻塞了两个工作线程之后，主线程也调用了phaser.arriveAndAwaitAdvance()。这样我们就打开了移相器屏障，让两个工作线程可以同时恢复。

最后，让我们调用main()方法中的usingPhaser ()方法：

===============================================
    >>> Using Phaser <<<
===============================================
[ Worker with phaser 1 ] created, blocked by the phaser
[ Worker with phaser 2 ] created, blocked by the phaser
-----------------------------------------------
 Now open the phaser barrier:
-----------------------------------------------
[ Worker with phaser 2 ] starts at: 2021-07-18T17:39:27.063523636Z
[ Worker with phaser 1 ] starts at: 2021-07-18T17:39:27.063523827Z

同样，两个工作线程几乎同时启动。两个开始时间之间的差异小于两微秒。

五、结论

在本文中，我们首先讨论了目标：“同时启动两个线程”。

接下来，我们讨论了同时启动三个线程的方法：使用CountDownLatch、 CyclicBarrier和Phaser。

它们的思路很相似，阻塞两个线程并试图让它们同时恢复执行。

尽管这些方法不能保证两个线程完全同时启动，但对于现实世界中的大多数情况，结果非常接近且足够。

码农公寓

一、可以完全同时启动线程吗？

二、通过CountDownLatch实现同时启动两个线程

三、使用CyclicBarrier 类

四、使用Phaser类

五、结论

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