农行1面：Java如何保证线程T1，T2，T3 顺序执行？

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你好，我是猿java。

线程是 Java执行的最小单元，通常意义上来说，多个线程是为了加快速速且无需保序，这篇文章，我们来分析一道农行的面试题目：如要保证线程T1, T2, T3顺序执行？

考察意图

在面试中出现这道问题，通常是为了考察候选人的以下几个知识点：

1. 多线程基础知识： 希望了解候选人是否熟悉Java多线程的基本概念，包括线程的创建、启动和同步机制。

2. 同步机制的理解：候选人需要展示对Java中各种同步工具的理解，如join()、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier等，并知道如何在不同场景下应用这些工具。

3. 线程间通信：希望候选人理解线程间通信的基本原理，例如如何使用wait()和notify()来协调线程。

4. 对Java并发包的熟悉程度： 希望候选人了解Java并发包（java.util.concurrent）中的工具和类，展示其对现代Java并发编程的掌握。

保证线程顺序执行的方法

在分析完面试题的考察意图之后，我们再分析如何保证线程顺序执行，这里列举了几种常见的方式。

join()

join()方法是Thread类的一部分，可以让一个线程等待另一个线程完成执行。 当你在一个线程T上调用T.join()时，调用线程将进入等待状态，直到线程T完成（即终止）。因此，可以通过在每个线程启动后调用join()来实现顺序执行。

如下示例代码，展示了join()如何保证线程顺序执行：

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Thread t1 = new Thread(() -> {
   // 线程T1的任务
});

Thread t2 = new Thread(() -> {
   // 线程T2的任务
});

Thread t3 = new Thread(() -> {
   // 线程T3的任务
});

t1.start();
t1.join(); // 等待t1完成

t2.start();
t2.join(); // 等待t2完成

t3.start();
t3.join(); // 等待t3完成

CountDownLatch

CountDownLatch通过一个计数器来实现，初始时，计数器的值由构造函数设置，每次调用countDown()方法，计数器的值减1。当计数器的值变为零时，所有等待在await()方法上的线程都将被唤醒，继续执行。

CountDownLatch是Java并发包（java.util.concurrent）中的一个同步辅助类，用于协调多个线程之间的执行顺序。它允许一个或多个线程等待另外一组线程完成操作。

如下示例代码，展示了CountDownLatch如何保证线程顺序执行：

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CountDownLatch latch1 = new CountDownLatch(1);
CountDownLatch latch2 = new CountDownLatch(1);

Thread t1 = new Thread(() -> {
   // 线程T1的任务
   latch1.countDown(); // 完成后递减latch1
});

Thread t2 = new Thread(() -> {
   try {
       latch1.await(); // 等待T1完成
       // 线程T2的任务
       latch2.countDown(); // 完成后递减latch2
   } catch (InterruptedException e) {
       Thread.currentThread().interrupt();
   }
});

Thread t3 = new Thread(() -> {
   try {
       latch2.await(); // 等待T2完成
       // 线程T3的任务
   } catch (InterruptedException e) {
       Thread.currentThread().interrupt();
   }
});

t1.start();
t2.start();
t3.start();

CountDownLatch关键方法解析：

  • CountDownLatch(int count) : 构造函数，创建一个CountDownLatch实例，计数器的初始值为count。
  • void await() : 使当前线程等待，直到计数器的值变为零。
  • boolean await(long timeout, TimeUnit unit) : 使当前线程等待，直到计数器的值变为零或等待时间超过指定的时间。
  • void countDown() : 递减计数器的值。当计数器的值变为零时，所有等待的线程被唤醒。

Semaphore

Semaphore通过一个计数器来管理许可，计数器的初始值由构造函数指定，表示可用许可的数量。线程可以通过调用acquire()方法请求许可，如果许可可用则授予访问权限，否则线程将阻塞。使用完资源后，线程调用release()方法释放许可，从而允许其他阻塞的线程获取许可。

如下示例代码，展示了Semaphore如何保证线程顺序执行：

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Semaphore semaphore1 = new Semaphore(0);
Semaphore semaphore2 = new Semaphore(0);

Thread t1 = new Thread(() -> {
   // 线程T1的任务
   semaphore1.release(); // 释放一个许可
});

Thread t2 = new Thread(() -> {
   try {
       semaphore1.acquire(); // 获取许可，等待T1完成
       // 线程T2的任务
       semaphore2.release(); // 释放一个许可
   } catch (InterruptedException e) {
       Thread.currentThread().interrupt();
   }
});

Thread t3 = new Thread(() -> {
   try {
       semaphore2.acquire(); // 获取许可，等待T2完成
       // 线程T3的任务
   } catch (InterruptedException e) {
       Thread.currentThread().interrupt();
   }
});

t1.start();
t2.start();
t3.start();

Semaphore关键方法分析：

  • Semaphore(int permits) ：构造一个具有给定许可数的Semaphore。
  • Semaphore(int permits, boolean fair) ：构造一个具有给定许可数的Semaphore，并指定是否是公平的。公平性指的是线程获取许可的顺序是否是先到先得。
  • void acquire() ：获取一个许可，如果没有可用许可，则阻塞直到有许可可用。
  • void acquire(int permits) ：获取指定数量的许可。
  • void release() ：释放一个许可。
  • void release(int permits) ：释放指定数量的许可。
  • int availablePermits() ：返回当前可用的许可数量。
  • boolean tryAcquire() ：尝试获取一个许可，立即返回true或false。
  • boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) ：在给定的时间内尝试获取一个许可。

单线程池

单线程池（Executors.newSingleThreadExecutor()）可以确保任务按提交顺序依次执行。所有任务都会在同一个线程中运行，保证了顺序性。

如下示例代码展示了单线程池如何保证线程顺序执行：

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ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.submit(new T1());
executor.submit(new T2());
executor.submit(new T3());
executor.shutdown();

单线程这种方法简单易用，适合需要顺序执行的场景。

synchronized

synchronized 是Java中的一个关键字，用于实现线程同步，确保多个线程对共享资源的访问是互斥的。它通过锁机制来保证同一时刻只有一个线程可以执行被Synchronized保护的代码块，从而避免数据不一致和线程安全问题。

如下示例代码，展示了synchronized如何保证线程顺序执行：

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class Task {
    synchronized void executeTask(String taskName) {
        System.out.println(taskName + " 执行");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        new Thread(() -> task.executeTask("T1")).start();
        new Thread(() -> task.executeTask("T2")).start();
        new Thread(() -> task.executeTask("T3")).start();
    }
}

CompletableFuture

CompletableFuture是 Java 8 引入的类，属于 java.util.concurrent 包。它是一个功能强大的工具，用于处理异步编程。CompletableFuture 允许创建、操作和组合任务，可以说是处理异步任务的一个灵活和强大的解决方案。

如下示例代码，展示了Semaphore如何保证线程顺序执行：

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import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class CompletableFutureSequentialExecution {

    public static void main(String[] args) {
        
        // 创建第一个任务T1
        CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            System.out.println("T1 is running on thread: " + Thread.currentThread().getName());
            // 模拟任务运行
            sleep(1000);
        });
        
        // 链接任务T2到T1之后
        future = future.thenRunAsync(() -> {
            System.out.println("T2 is running on thread: " + Thread.currentThread().getName());
            sleep(1000);
        });

        // 链接任务T3到T2之后
        future = future.thenRunAsync(() -> {
            System.out.println("T3 is running on thread: " + Thread.currentThread().getName());
            sleep(1000);
        });

        // 等待所有任务完成
        future.join();
    }

    // 辅助方法用于模拟延迟
    private static void sleep(long milliseconds) {
        try {
            Thread.sleep(milliseconds);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

代码解释：

  • runAsync 方法：使用 CompletableFuture.runAsync() 方法来异步执行任务。runAsync 不会返回任何结果，因此只在任务结束时传递控制权。
  • 链式调用 thenRunAsync：使用 thenRunAsync 方法来在前一个任务完成后启动下一个任务。这样确保了任务按顺序执行。
  • join 方法：join 方法等待 CompletableFuture 的计算完成。这相当于调用 get，但不会抛出检查异常。

总结

本文，我们分析了6种保证线程T1，T2，T3顺序执行的方法，依次如下：

  1. join()
  2. CountDownLatch
  3. Semaphore
  4. 单线程池
  5. synchronized
  6. CompletableFuture

在实际开发中，这种需要在业务代码中去保证线程执行顺序的情况几乎不会出现，因此，这个面试题其实缺乏实际的应用场景，纯粹是为了面试存在。尽管是面试题，还是可以帮助我们更好地去了解和掌握线程。

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