面试必备：Kotlin 线程同步的 N 种方法

2022-05-29 616

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简介： 面试的时候经常会被问及多线程同步的问题，例如，有 Task1、Task2 等多个并行任务，如何等待全部执行完成后执行 Task3？

面试的时候经常会被问及多线程同步的问题，例如：

“ 现有 Task1、Task2 等多个并行任务，如何等待全部执行完成后，执行 Task3。”

在 Kotlin 中我们有多种实现方式，本文将所有这些方式做了整理，建议收藏。

1. Thread.join 
2. Synchronized 
3. ReentrantLock 
4. BlockingQueue 
5. CountDownLatch 
6. CyclicBarrier 
7. CAS 
8. Future 
9. CompletableFuture 
10. Rxjava 
11. Coroutine 
12. Flow

我们先定义三个Task，模拟上述场景， Task3 基于 Task1、Task2 返回的结果拼接字符串，每个 Task 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") }
}

1. Thread.join()

Kotlin 兼容 Java，Java 的所有线程工具默认都可以使用。其中最简单的线程同步方式就是使用 Thread 的 join() ：

@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)

}

2. Synchronized

使用 synchronized 锁进行同步

    @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)
        }

    }

但是如果超过三个任务，使用 synchrnoized 这种写法就比较别扭了，为了同步多个并行任务的结果需要声明n个锁，并嵌套n个 synchronized。

3. ReentrantLock

ReentrantLock 是 JUC 提供的线程锁，可以替换 synchronized 的使用

    @Test
    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()

    }

ReentrantLock 的好处是，当有多个并行任务时是不会出现嵌套 synchrnoized 的问题，但仍然需要创建多个 lock 管理不同的任务，

4. BlockingQueue

阻塞队列内部也是通过 Lock 实现的，所以也可以达到同步锁的效果

    @Test
    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)
    }

当然，阻塞队列更多是使用在生产/消费场景中的同步。

5. 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。例如 CountDownLatch，它可以让一个线程一直处于阻塞状态，直到其他线程的执行全部完成：

    @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)
    }

共享锁的好处是不必为了每个任务都创建单独的锁，即使再多并行任务写起来也很轻松

6. CyclicBarrier

CyclicBarrier 是 JUC 提供的另一种共享锁机制，它可以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。

与 CountDownLatch 的区别在于 CountDownLatch 是一次性的，而 CyclicBarrier 可以被重置后重复使用，这也正是 Cyclic 的命名由来，可以循环使用

    @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)

    }

7. CAS

AQS 内部通过自旋锁实现同步，自旋锁的本质是利用 CompareAndSwap 避免线程阻塞的开销。
因此，我们可以使用基于 CAS 的原子类计数，达到实现无锁操作的目的。

     @Test
    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)

    }

while 循环空转看起来有些浪费资源，但是自旋锁的本质就是这样，所以 CAS 仅仅适用于一些cpu密集型的短任务同步。

volatile

看到 CAS 的无锁实现，也许很多人会想到 volatile，是否也能实现无锁的线程安全？

     @Test
    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)

    }

注意，这种写法是错误的
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

8. Future

上面无论有锁操作还是无锁操作，都需要定义两个变量s1、s2记录结果非常不方便。
Java 1.5 开始，提供了 Callable 和 Future ，可以在任务执行结束时返回结果。

@Test
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())

}

通过 future.get()，可以同步等待结果返回，写起来非常方便

9. CompletableFuture

future.get() 虽然方便，但是会阻塞线程。 Java 8 中引入了 CompletableFuture ，他实现了 Future 接口的同时实现了 CompletionStage 接口。 CompletableFuture 可以针对多个 CompletionStage 进行逻辑组合、实现复杂的异步编程。这些逻辑组合的方法以回调的形式避免了线程阻塞：

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

10. RxJava

RxJava 提供的各种操作符以及线程切换能力同样可以帮助我们实现需求：
zip 操作符可以组合两个 Observable 的结果；subscribeOn 用来启动异步任务

@Test
fun test_Rxjava() {

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

}

11. Coroutine

前面讲了那么多，其实都是 Java 的工具。 Coroutine 终于算得上是 Kotlin 特有的工具了：

@Test
fun test_coroutine() {

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

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

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

写起来特别舒服，可以说是集前面各类工具的优点于一身。

12. Flow

Flow 就是 Coroutine 版的 RxJava，具备很多 RxJava 的操作符，例如 zip:


@Test
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。

总结

上面这么多方式，就像茴香豆的“茴”字的四种写法，没必要都掌握。作为结论，在 Kotlin 上最好用的线程同步方案首推协程！