全面详解Java并发编程：从基础到高级应用
Java并发编程是Java开发中一个非常重要的领域，涉及多线程编程技术，用于提高程序的性能和响应能力。并发编程在多核处理器上特别有用，因为它可以同时执行多个任务，从而提高应用程序的效率。以下是对Java并发编程的详细讲解，涵盖基本概念、线程管理、同步机制、高级并发工具和最佳实践。
1. 基本概念
1.1 进程和线程
- 进程：是程序在操作系统中的一次执行实例。每个进程都有独立的内存空间。
- 线程：是进程中的一个执行路径。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间。
1.2 多线程
多线程允许程序并发执行多个任务，适用于需要处理多个独立任务的场景，如服务器处理多个客户端请求。
2. 线程管理
2.1 创建线程
在Java中，可以通过以下三种方式创建线程：
a. 继承Thread类：
public class MyThread extends Thread { public void run() { System.out.println("Thread is running"); } public static void main(String[] args) { MyThread thread = new MyThread(); thread.start(); } }
b. 实现Runnable接口：
public class MyRunnable implements Runnable { public void run() { System.out.println("Thread is running"); } public static void main(String[] args) { Thread thread = new Thread(new MyRunnable()); thread.start(); } }
c. 实现Callable接口并使用FutureTask：
import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.FutureTask; public class MyCallable implements Callable<String> { public String call() throws Exception { return "Thread is running"; } public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { MyCallable callable = new MyCallable(); FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(callable); Thread thread = new Thread(futureTask); thread.start(); System.out.println(futureTask.get()); } }
2.2 线程的生命周期
线程的生命周期包括以下几个状态：
- 新建（New）：线程对象被创建，但未启动。
- 就绪（Runnable）：线程已经启动并等待CPU时间片
- 运行（Running）：线程正在执行代码。
- 阻塞（Blocked）：线程因等待资源而暂停执行。
- 死亡（Terminated）：线程执行完毕或因异常退出。
3. 同步机制
为了防止多个线程同时访问共享资源而引起的数据不一致问题，Java提供了同步机制。
3.1 同步方法和同步块
同步方法：
public synchronized void synchronizedMethod() { // critical section }
同步块：
public void synchronizedBlock() { synchronized (this) { // critical section } }
3.2 volatile关键字
volatile关键字用于确保变量的可见性，即当一个线程修改变量值时，其他线程立即看到最新的值。
private volatile boolean flag = true;
3.3 显式锁（ReentrantLock）
ReentrantLock提供了更高级的同步特性，如公平锁、可中断锁等。
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class MyLock { private final Lock lock = new ReentrantLock(); public void perform() { lock.lock(); try { // critical section } finally { lock.unlock(); } } }
4. 高级并发工具
Java的java.util.concurrent包提供了丰富的并发工具类。
4.1 Executor框架
Executor框架用于管理线程池和执行任务，主要接口和类有ExecutorService、Executors和ThreadPoolExecutor。 import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; public class MyExecutor { public static void main(String[] args) { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); for (int i = 0; i < 10; i++) { executor.submit(() -> { System.out.println("Task is running"); }); } executor.shutdown(); } }
4.2 并发集合
并发集合类提供了线程安全的集合，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; public class MyConcurrentMap { public static void main(String[] args) { ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>(); map.put("key", "value"); System.out.println(map.get("key")); } }
4.3 并发工具类
java.util.concurrent包还提供了许多其他并发工具类，如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Exchanger等。
import java.util.concurrent.CountDownLatch; public class MyCountDownLatch { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); for (int i = 0; i < 3; i++) { new Thread(() -> { System.out.println("Task completed"); latch.countDown(); }).start(); } latch.await(); System.out.println("All tasks completed"); } }
5. 最佳实践
5.1 避免死锁
通过锁顺序、超时机制、死锁检测等方法避免死锁。
5.2 使用线程池
使用线程池复用线程，避免频繁创建和销毁线程带来的性能开销。
5.3 减少锁粒度
尽量减少锁的粒度，以提高并发性能。
5.4 避免共享可变状态
尽量避免共享可变状态，使用不可变对象或线程本地存储（ThreadLocal）来隔离线程的状态。
5.5 使用高效的并发工具
利用java.util.concurrent包中的高级并发工具，减少手动管理线程和同步的复杂性。
总结
Java并发编程提供了强大的工具和框架，帮助开发者有效管理多线程任务，提升应用程序性能。理解并掌握基本概念、线程管理、同步机制和高级并发工具，并遵循最佳实践，可以编写出高效、安全、可靠的并发程序。
