本教程详细探讨了在java中如何利用多线程和非阻塞输入机制，实现一个可由用户输入（如回车键）中断的无限循环，同时运行如加载动画等并发任务。文章解释了传统阻塞式输入方法的局限性，并提供了一个基于`volatile`标志和`inputstream.available()`的完整解决方案，确保动画流畅运行的同时，能及时响应用户中断指令，从而提高程序的交互性和用户体验。
在Java应用程序开发中，我们经常会遇到需要执行一个持续性任务（如加载动画、数据监听）直到用户发出停止指令的场景。一个常见的挑战是，如何既能保持任务的持续性，又能实时响应用户的输入，特别是当用户输入是用于中断任务时。本文将深入探讨这一问题，并提供一个基于多线程和非阻塞输入的高效解决方案。
传统阻塞式输入方法的局限性
考虑一个常见的需求：显示一个循环的加载动画（例如，三个点“...”不断闪烁），直到用户按下回车键才停止。初学者可能会尝试在一个无限循环中显示动画，并在循环内部或之后调用System.in.read()来等待用户输入。
public class BlockingLoopExample {
public static void pause(long duration) {
try {
Thread.sleep(duration);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
}
}
public static void loading() {
while (true) { // 尝试无限循环显示动画
pause(500);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
System.out.print(".");
pause(500);
}
System.out.print("\b\b\b"); // 回退光标，清除点
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Loading... Press Enter to stop.");
loading(); // 动画开始
// 理论上这里应该等待输入，但实际上永远不会执行到这里
try {
System.in.read(); // 阻塞等待输入
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("\nStopped.");
}
}上述代码存在两个主要问题：
- 阻塞问题： loading()方法内部是一个无限循环while(true)，这意味着程序将永远停留在loading()方法中，main方法中System.in.read()那一行代码永远不会被执行到。因此，用户无法通过输入来停止动画。
- 并发需求： 即便我们将System.in.read()放在loading()循环内部，System.in.read()本身是一个阻塞调用。这意味着一旦程序执行到System.in.read()，它就会暂停，直到用户输入数据。这会导致动画停止，无法实现动画与输入监听的并发进行。
为了解决这些问题，我们需要引入多线程编程和非阻塞输入的概念。
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解决方案：多线程与非阻塞输入
实现动画与输入监听并发进行并优雅终止无限循环的关键在于：
- 使用单独的线程处理动画： 将动画逻辑封装在一个独立的线程中运行。
- 使用单独的线程监听输入： 另一个线程专门负责监听用户的输入。
- 共享状态与volatile关键字： 两个线程需要通过一个共享的标志（例如一个boolean变量）来通信。当输入线程检测到用户输入时，它会修改这个标志，动画线程则定期检查这个标志以决定是否停止。为了确保不同线程对共享变量的可见性，这个标志必须声明为volatile。
- 非阻塞输入检查： 输入监听线程不应使用阻塞式的System.in.read()。相反，它应该使用InputStream.available()方法来检查输入缓冲区中是否有数据可用，而不会阻塞当前线程。
下面是基于这些原则的完整解决方案代码：
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class ConcurrentLoadingAnimation {
// 使用 volatile 关键字确保 stopFlag 对所有线程的可见性
private static volatile boolean stopFlag = false;
/**
* 模拟暂停一段时间的方法
* @param duration 暂停时长（毫秒）
*/
public static void pause(long duration) {
try {
Thread.sleep(duration);
} catch (InterruptedException e) {
// 当线程被中断时，设置中断标志并退出，以便外部可以捕获中断
Thread.currentThread().interrupt();
System.err.println("Loading thread interrupted.");
stopFlag = true; // 强制停止动画
}
}
/**
* 运行加载动画的线程任务
*/
static class LoadingTask implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("Loading... Press Enter to stop.");
while (!stopFlag) { // 只要 stopFlag 为 false，就继续循环
for (int i = 0; i < 3; i++) {
if (stopFlag) break; // 每次打印前检查是否需要停止
System.out.print(".");
pause(300); // 调整暂停时间以适应动画速度
}
if (stopFlag) break; // 循环结束后再次检查
System.out.print("\b\b\b \b\b\b"); // 回退光标，清除点并留空，再回退
pause(300);
}
// 动画停止后，清除可能残留的点
System.out.print("\r \r"); // 清除整行并回车
System.out.println("Loading stopped.");
}
}
/**
* 监听用户输入的线程任务
*/
static class InputMonitorTask implements Runnable {
@Override
public void run() {
try (InputStream in = System.in) { // 使用 try-with-resources 确保 InputStream 关闭
while (!stopFlag) { // 只要 stopFlag 为 false，就继续监听
if (in.available() > 0) { // 检查输入缓冲区是否有数据
// 读取所有可用的输入，直到遇到换行符或缓冲区清空
while (in.available() > 0) {
int charCode = in.read();
if (charCode == '\n' || charCode == '\r') { // 检测到回车键
stopFlag = true; // 设置停止标志
break;
}
}
}
pause(50); // 短暂暂停，避免CPU空转过高
}
} catch (IOException e) {
System.err.println("Error reading from input: " + e.getMessage());
}
}
}
public static void main(String[] args) {
// 创建并启动加载动画线程
Thread loadingThread = new Thread(new LoadingTask(), "Loading-Animation-Thread");
loadingThread.start();
// 创建并启动输入监听线程
Thread inputMonitorThread = new Thread(new InputMonitorTask(), "Input-Monitor-Thread");
inputMonitorThread.start();
// 主线程等待两个子线程完成
try {
loadingThread.join(); // 等待动画线程结束
inputMonitorThread.join(); // 等待输入监听线程结束
} catch (InterruptedException e) {
System.err.println("Main thread interrupted.");
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("Program finished.");
}
}代码详解与注意事项
-
volatile boolean stopFlag：
- 这是一个共享变量，用于在InputMonitorTask和LoadingTask之间传递停止信号。
- volatile关键字确保对stopFlag变量的修改能够立即被所有线程可见，避免了由于缓存不一致导致的同步问题。这是实现线程间通信的关键。
-
LoadingTask (Runnable)：
- run()方法包含动画逻辑。
- while (!stopFlag)循环是动画持续运行的条件。
- 在每次打印点之前和循环结束之后，都会检查stopFlag。一旦stopFlag变为true，循环立即终止。
- System.out.print("\b\b\b \b\b\b")：这行代码用于清除屏幕上的三个点。\b是退格符，它会将光标向前移动一个位置。连续使用\b可以清除字符。后面打印三个空格再用\b回退，是为了确保点被完全覆盖，且光标回到原始位置。
- System.out.print("\r \r"): 在动画停止时，为了确保屏幕干净，使用回车符\r将光标移到行首，然后打印足够多的空格覆盖可能残留的动画字符，再用\r将光标移回行首。
-
InputMonitorTask (Runnable)：
- try (InputStream in = System.in)：使用Java 7引入的try-with-resources语句，确保System.in流在不再需要时能够被正确关闭（尽管System.in通常不建议关闭，但这里作为示例）。
- in.available() > 0：这是实现非阻塞输入的关键。它返回输入流中可供读取的字节数。如果大于0，说明有数据输入，此时才尝试读取。
- in.read()：当available() > 0时，读取一个字节。
- if (charCode == '\n' || charCode == '\r')：检测用户是否按下了回车键（在不同操作系统上，回车键可能产生\n或\r，或者两者都有）。一旦检测到，就将stopFlag设置为true，从而通知LoadingTask停止。
- pause(50)：在没有输入时，输入监听线程会短暂暂停，避免CPU空转，降低资源消耗。
-
main方法：
- 创建并启动LoadingTask和InputMonitorTask的两个Thread实例。
- loadingThread.join()和inputMonitorThread.join()：主线程会等待这两个子线程执行完毕。这意味着只有当stopFlag被设置为true，两个子线程都自然终止后，主线程才会继续执行并打印"Program finished."。
总结
通过上述多线程和非阻塞输入的方法，我们成功地解决了在Java中同时运行动画和监听用户输入的问题。这种模式在需要后台任务持续运行，同时需要用户随时介入终止的场景中非常有用。理解volatile关键字在线程间通信中的作用以及InputStream.available()的非阻塞特性，是构建响应式和高效并发Java应用程序的关键。
