java——多线程

Java 的并发基础知识

了解什么是线程、进程、多线程并发等概念，掌握 Java 中的 synchronized 和 volatile 关键字以及 Lock 和 Condition 接口等重要的并发工具。

下面是 Java 中并发基础知识的代码示例：

1. 创建线程

Java 中有两种方式来创建线程，一种是继承 Thread 类，另一种是实现 Runnable 接口。下面是使用继承 Thread 类的方式来创建线程的示例代码：

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("MyThread is running...");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

2. 同步方法和同步代码块

在多个线程同时访问共享资源时，需要对这些资源进行同步，以避免数据不一致或者数据污染等问题。Java 中提供了 synchronized 关键字来实现同步，可以用于修饰方法和代码块。下面是使用 synchronized 修饰方法和代码块的示例代码：

public class Counter {
    private int count = 0;

    // 使用 synchronized 修饰方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 使用 synchronized 修饰代码块
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

3. 线程安全的容器

Java 中提供了一些线程安全的容器类，比如 Vector、Hashtable 和 Collections.synchronizedXXX 等。这些容器类可以保证在多个线程同时访问容器时，不会出现数据不一致或者数据污染等问题。下面是使用 Vector 来实现线程安全的并发队列的示例代码：

public class ConcurrentQueue {
    private Vector<String> queue = new Vector<>();

    public void enqueue(String element) {
        queue.add(element);
    }

    public String dequeue() {
        if (queue.isEmpty()) {
            return null;
        } else {
            return queue.remove(0);
        }
    }
}

4. volatile 关键字

volatile 关键字用于标记变量为“易失性变量”，即该变量可能被多个线程同时修改和访问，从而确保多个线程之间对该变量的可见性。下面是使用 volatile 修饰变量的示例代码：

public class MyThread extends Thread {
    private volatile boolean running = true;

    public void run() {
        while (running) {
            // do something here
        }
    }

    public void shutdown() {
        running = false;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();

        // 让主线程休眠一段时间后，停止子线程
        Thread.sleep(1000);
        thread.shutdown();
    }
}

5. Lock 和 Condition 接口

Lock 和 Condition 接口是 Java 中提供的可重入锁和条件变量，用于实现更灵活的线程同步控制。下面是使用 Lock 和 Condition 接口来实现线程同步的示例代码：

public class Buffer {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private List<Integer> list = new ArrayList<>();
    private int capacity;

    public Buffer(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }

    public void put(int element) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() == capacity) {
                notFull.await();
            }

            list.add(element);
            notEmpty.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int get() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() == 0) {
                notEmpty.await();
            }

            int element = list.remove(0);
            notFull.signalAll();
            return element;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

以上是 Java 中并发基础知识的相关示例代码。需要注意的是，在实际开发中，多线程程序的正确性和稳定性非常重要。在编写多线程程序时，应该尽可能地避免竞态条件、死锁、饥饿和活锁等问题，并且合理地控制线程的数量和优先级，以保证多线程程序的正确运行。

此外，在实际开发中，可以使用一些辅助工具来帮助我们调试和排查多线程程序中的问题，比如 Java VisualVM、jstack、jmap、jcmd 等。

总之，学习 Java 的并发基础知识只是掌握多线程编程的第一步，需要不断地实践和探索，提高自己的多线程编程能力，才能写出高效、健壮的应用程序。

Java 多线程编程的基本框架

包括创建和启动线程、线程的状态转换、线程安全和死锁等基本概念。
下面是使用 Java 多线程编程基本框架的示例代码：

1. 创建和启动线程

Java 中有两种方式来创建线程，一种是继承 Thread 类，另一种是实现 Runnable 接口。下面是使用继承 Thread 类的方式来创建和启动线程的示例代码：

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("MyThread is running...");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

2. 线程的状态转换

Java 中的线程有以下几种状态，可以通过 getState() 方法获取线程的状态：

• NEW：新建状态，表示线程已经被创建但还没有调用 start() 方法；
• RUNNABLE：运行状态，表示线程正在执行或者等待 CPU 时间片；
• BLOCKED：阻塞状态，表示线程正在等待某个事件发生，如输入输出操作或 synchronized 代码块的监视器锁；
• WAITING：等待状态，表示线程正在等待另一个线程通知或唤醒它；
• TIMED_WAITING：计时等待状态，表示线程正在执行 sleep()、wait(long) 或 join(long) 方法；
• TERMINATED：死亡状态，表示线程已经完成了它的任务，或者发生了异常而导致线程终止。

下面是使用 getState() 方法获取线程状态的示例代码：

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("MyThread is running...");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread thread = new MyThread();
        System.out.println(thread.getState()); // NEW
        thread.start();
        System.out.println(thread.getState()); // RUNNABLE
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(thread.getState()); // TERMINATED
    }
}

3. 线程安全

在多个线程同时访问共享资源时，可能会出现数据不一致或者数据污染等问题。Java 中提供了 synchronized 关键字来实现同步，可以用于修饰方法和代码块。使用 synchronized 可以确保多个线程不会同时执行同一个方法或代码块，从而保证了线程安全。下面是使用 synchronized 实现线程安全的计数器的示例代码：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

4. 死锁

死锁是指两个或多个线程都在等待对方释放资源，永久阻塞的情况。在多线程编程中，为了避免死锁问题，应该尽量避免线程间的循环依赖和资源竞争。下面是模拟死锁的示例代码：

public class DeadLockDemo {
    private static Object lock1 = new Object();
    private static Object lock2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock1) {
                System.out.println("Thread1 acquired lock1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread1 acquired lock2");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("Thread2 acquired lock2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock1) {
                    System.out.println("Thread2 acquired lock1");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

以上是使用 Java 多线程编程基本框架的相关示例代码。需要注意的是在实际开发中，需要谨慎地使用多线程编程，特别是对于涉及到共享资源的场景。以下是一些注意事项：

1. 避免竞态条件

竞态条件是指多个线程访问共享资源时，由于执行顺序不确定而导致结果不确定的情况。可以通过 synchronized 关键字或者 Lock 接口来解决竞态条件问题。

1. 避免死锁

死锁是指两个或多个线程都在等待对方释放资源，永久阻塞的情况。可以通过避免循环依赖和资源竞争来避免死锁问题。

1. 谨慎使用 Thread.sleep()

Thread.sleep() 方法会使当前线程休眠一段时间，但它并不会释放对象监视器锁。因此，在多线程编程中，应该谨慎使用 Thread.sleep() 方法，避免出现死锁等问题。

1. 使用 Executor 框架

Executor 是一个用于管理和执行线程的框架，它提供了更加灵活的线程池机制和任务队列，能够有效地管理和调度线程，避免线程数量过多或过少的问题。

1. 使用 volatile 关键字

volatile 关键字可以保证变量在多个线程之间的可见性和有序性，可以避免由于线程之间不同步而导致的数据不一致问题。但是，它并不能保证原子性和互斥性，需要慎重使用。

总之，在多线程编程中，需要特别注意线程安全、死锁、性能等问题，并采用合适的方式来解决这些问题，才能写出高效、健壮的应用程序。

Java 并发编程的高级技术

如线程池、线程同步、阻塞队列、Callable 和 Future 等。
Java 并发编程的高级技术包括线程池、并发集合、原子类和锁等。下面对这些技术进行详细解释，并给出相应的示例代码：

1. 线程池

线程池是一个用于管理和调度线程的工具，它可以有效地控制线程的数量和优先级，提高多线程程序的性能和稳定性。在 Java 中，线程池主要有以下几种类型：

• FixedThreadPool：固定大小的线程池，适合处理执行时间较短的任务；
• CachedThreadPool：无限大小的线程池，适合处理执行时间较长的任务；
• ScheduledThreadPool：固定大小的线程池，适合周期性地执行任务；
• SingleThreadExecutor：单个线程的线程池，适合按顺序执行任务。

下面是使用 FixedThreadPool 创建线程池并执行任务的示例代码：

public class MyTask implements Runnable {
    private String name;

    public MyTask(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void run() {
        System.out.println(name + " is running...");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.execute(new MyTask("Task" + i));
        }
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
            Thread.sleep(1000);
        }
        System.out.println("All tasks have been executed.");
    }
}

2. 并发集合

并发集合是一种线程安全的容器，可以在多个线程同时访问时保证数据的一致性和正确性。Java 中提供了一些并发集合类，包括 ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentLinkedQueue 等。下面是使用 ConcurrentHashMap 实现线程安全的计数器的示例代码：

public class Counter {
    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

    public void increment(String key) {
        map.compute(key, (k, v) -> v == null ? 1 : v + 1);
    }

    public void decrement(String key) {
        map.compute(key, (k, v) -> v == null ? -1 : v - 1);
    }

    public int getCount(String key) {
        return map.getOrDefault(key, 0);
    }
}

3. 原子类

原子类是一种线程安全的、不可分割的操作，可以保证对数值型变量的读取和修改操作都是原子性的。Java 中提供了一些原子类，包括 AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean 等。下面是使用 AtomicInteger 实现线程安全的计数器的示例代码：

public class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public void decrement() {
        count.decrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

4. 锁

锁是一种用于控制多个线程对共享资源的访问的机制，可以保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源。Java 中提供了 synchronized 关键字和 Lock 接口两种实现锁的方式。下面是使用 synchronized 实现锁的示例代码：

public class Counter {
    private int count = 0;
    private Object lock = new Object();

    public void increment() {
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }

    public void decrement() {
        synchronized (lock) {
            count--;
        }
    }

    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

以上是 Java 并发编程的高级技术及相关示例代码。在实际开发中，需要根据具体需求选择合适的技术来提高程序的性能和稳定性，并注意线程安全、死锁等问题。以下是一些注意事项：

1. 避免锁竞争

在多线程编程中，锁的性能占据了很大一部分，因此需要尽量避免锁竞争。可以使用无锁算法、分段锁、读写锁等方式来减少锁竞争。

1. 减少上下文切换

上下文切换是指操作系统将当前执行状态保存下来，然后切换到另一个线程或进程的执行状态的过程，会消耗额外的时间和资源。为了减少上下文切换，可以采用合适的线程数量、调整任务大小等方式。

1. 谨慎使用 ThreadLocal

ThreadLocal 是一种线程本地变量，每个线程都有自己的副本，可以避免多线程访问时出现数据共享和污染的问题。但是，如果使用不当，会导致内存泄露等问题。

1. 使用 ForkJoin 框架

ForkJoin 是一个用于并行计算的框架，它采用工作窃取算法来解决任务负载不均衡的问题，可以很好地提高程序的并发性能。

总之，在 Java 并发编程的高级技术中，需要注意锁竞争、上下文切换、ThreadLocal 的使用和并发集合的选择等问题，采用合适的技术来解决这些问题。