1. 前言
在多线程编程中，有时需要保证线程之间的执行顺序，这对于一些需要严格控制执行顺序的场景非常重要。本文将介绍四种保证多线程顺序执行的方案，并对其进行比较和分析。
2. 使用Thread.join()
2.1 Thread.join()方法说明
在Java中，每个线程实例都有一个join()方法，调用该方法可以使当前线程等待被调用线程执行完成。
具体地，调用线程调用被等待线程的join()方法后，它将进入阻塞状态，直到被等待线程执行完成，并结束其生命周期，调用线程才能继续执行。
下面是Thread.join()方法的签名：
public final void join() throws InterruptedException其中，join()方法没有参数，它将当前线程阻塞直到被等待线程执行完成。如果被等待线程在阻塞期间被中断，则join()方法将抛出InterruptedException。
2.2 示例代码
下面是一个使用Thread.join()方法保证多线程顺序执行的示例代码：
public class ThreadJoinDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("Thread 1: " + i);
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("Thread 2: " + i);
}
});
t1.start();
t1.join();
t2.start();
t2.join();
}
}
上述代码中，我们先创建了两个线程t1和t2，它们分别输出1到10的整数。接着我们先启动t1线程，然后调用t1.join()方法，使得t1线程先执行完成后，才能启动t2线程。
2.3 优缺点
使用Thread.join()方法保证多线程顺序执行的优点是容易实现，代码易读、易懂，并且无需使用额外的锁。然而，它的缺点是比较低效，因为它需要等待被等待线程执行完成后才能启动下一个线程，这样会增加总执行时间。
3. 使用synchronized关键字
3.1 synchronized关键字说明
synchronized关键字是Java中一个重要的同步机制，它能够给代码块、方法或类加锁，使得同一时间只有一个线程可以访问相关的代码块。在多线程编程中，synchronized关键字可以保证线程安全性。
具体地，当一个线程试图访问一个被synchronized关键字保护的代码块时，它必须先获得这个锁，如果锁已经被其他线程占用，则该线程会一直等待，直到获取到锁为止。
下面是synchronized关键字的基本使用方法：
public class SynchronizedDemo {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public synchronized void decrement() {
count--;
}
}
在上述代码中，我们使用synchronized关键字给increment()和decrement()方法加锁，这样就保证了它们的原子性和线程安全性。
3.2 示例代码
下面是一个使用synchronized关键字保证多线程顺序执行的示例代码：
public class SynchronizedOrderDemo {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
while (count != 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
count++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + count);
notifyAll();
}
public synchronized void decrement() {
while (count == 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
count--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + count);
notifyAll();
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedOrderDemo demo = new SynchronizedOrderDemo();
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (true) {
demo.increment();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread 1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
while (true) {
demo.decrement();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread 2");
t1.start();
t2.start();
}
}
在上述代码中，我们使用synchronized关键字给increment()和decrement()方法加锁，并且在方法中使用while循环和wait()、notifyAll()方法实现了多线程的顺序执行。具体地，当count的值不满足条件时，线程会等待，直到满足条件时才会执行相应的操作。
3.3 优缺点
使用synchronized关键字保证多线程顺序执行的优点是代码实现简单，且能够保证线程的顺序执行，而且不会阻塞线程。然而，它的缺点是可能会产生死锁，同时它的效率相对于其他方案较低。
4. 使用Lock和Condition
4.1 Lock和Condition说明
在Java中，Lock和Condition是一种高级的同步机制，它可以替代synchronized关键字，并且提供了更丰富的方法来控制线程的同步。使用Lock和Condition可以更加灵活地实现多线程的顺序执行。
具体地，Lock是Java中的互斥锁，它相当于synchronized关键字，它可以保证同时只有一个线程能够获取到这个锁。Condition是一个线程等待唤醒机制，它可以让线程挂起等待某个条件被满足，或者唤醒一个或多个正在等待该条件的线程。
4.2 示例代码
下面是一个使用Lock和Condition保证多线程顺序执行的示例代码：
public class LockConditionDemo {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
private volatile int count = 0;
public void increment() {
lock.lock();
try {
while (count != 0) {
condition.await();
}
count++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + count);
condition.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void decrement() {
lock.lock();
try {
while (count == 0) {
condition.await();
}
count--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + count);
condition.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
LockConditionDemo demo = new LockConditionDemo();
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (true) {
demo.increment();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread 1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
while (true) {
demo.decrement();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread 2");
t1.start();
t2.start();
}
}
在上述代码中，我们使用ReentrantLock创建了一个锁，并使用newCondition()方法创建了一个条件变量。在increment()和decrement()方法中，我们使用lock.lock()获取锁，然后使用while循环和condition.await()方法等待某个条件被满足，或者使用condition.signalAll()方法唤醒正在等待该条件的线程。
4.3 优缺点
使用Lock和Condition保证多线程顺序执行的优点是效率高，可以替代synchronized关键字，并且不容易产生死锁。同时，它的灵活性比synchronized关键字更高。缺点是使用Lock和Condition需要注意释放锁的问题，否则容易引起死锁。
5. 使用Semaphore
5.1 Semaphore说明
Semaphore是一种基于计数器的同步机制，在Java中，Semaphore可以用来控制同时访问某个特定资源的线程数。
具体地，Semaphore维护一个许可证集合，线程可以通过调用acquire()方法获取一个许可证，或者通过release()方法释放一个许可证。如果许可证已经全部被获取，则后续的线程等待直到有许可证被释放。
5.2 示例代码
下面是一个使用Semaphore保证多线程顺序执行的示例代码：
public class SemaphoreDemo {
private Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
public void increment() {
try {
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + 1);
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void decrement() {
try {
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + 0);
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
SemaphoreDemo demo = new SemaphoreDemo();
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (true) {
demo.increment();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread 1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
while (true) {
demo.decrement();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "Thread 2");
t1.start();
t2.start();
}
}
在上述代码中，我们创建了一个Semaphore实例，它的初始值为1。在increment()和decrement()方法中，我们使用semaphore.acquire()获取许可证，然后输出相应的数值，最后使用semaphore.release()释放许可证。
5.3 优缺点
使用Semaphore保证多线程顺序执行的优点是效率较高，并且能够灵活地控制线程数量，同时实现代码较为简单。不足之处在于，当许可证的数量比较大时，会降低控制线程数的精度。
6. 总结
本文介绍了四种保证多线程顺序执行的方案，并对其进行比较和分析。Thread.join()方法是最简单的实现方式，但效率较低；synchronized关键字实现起来比较简单，并且能够保证线程的顺序执行，但可能会产生死锁；使用Lock和Condition可以替代synchronized关键字，同时效率较高，但需要注意释放锁的问题；Semaphore可以灵活地控制线程数量，但需要注意许可证数量的设置。
具体选择何种方案，需要视需求而定，根据实际场景进行选择。