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Java多线程编程详解

1. 进程与线程

在计算机科学中，进程和线程是并发编程的基础概念。一个进程可以看作是一个执行应用程序的实例，它拥有一定的内存空间和系统资源。线程则是在进程中由操作系统调度和分派的基本单位，负责执行应用程序的具体任务。线程是CPU调度的基本单位，负责完成特定的顺序控制流程。

线程的特点

• 独立执行：线程是进程中的最小执行单位，能够独立执行任务。
• 资源共享：线程共享进程的内存和系统资源。
• 并发执行：线程之间可以交替执行，提高资源利用率。

进程与线程的区别

• 资源占用：进程占用更多的系统资源，包括内存、文件描述符等。
• 启动方式：进程通常由操作系统启动，而线程可以在进程内部动态创建。
• 调度粒度：进程的调度粒度较大，线程的调度粒度较小。

2. 多线程编程

多线程的优势

• 资源利用：充分利用CPU资源，减少等待时间。
• 任务并行：实现多任务同时执行，提升效率。
• 用户体验：减少用户等待时间，提升应用响应速度。

多线程的实现方式

• 继承Thread类：通过继承Thread类，重写run方法实现线程。
• 实现Runnable接口：通过实现Runnable接口，使用Thread类执行Runnable实例。

Thread类与线程管理

• 主线程：main方法即为主线程，负责程序的入口。
• 子线程：通过start方法启动其他线程。
• 线程状态：线程可以处于新建、就绪、运行、阻塞、等待、终止状态。

3. 线程创建方式对比

继承Thread类

• 代码示例：

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第" + i + "次执行");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

优点：直接操作线程，适用于单继承。

实现Runnable接口

• 代码示例：

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第" + i + "次执行");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Runnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread t1 = new Thread(myRunnable, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(myRunnable, "线程2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

优点：避免单继承的局限性，适合多继承场景。

4. 线程的状态与调度

线程状态

线程在执行过程中会经历多个状态：

• 新建状态：线程创建时的初始状态。
• 就绪状态：线程准备好执行的状态。
• 运行状态：线程正在CPU上执行任务的状态。
• 阻塞状态：线程等待I/O操作完成的状态。
• 等待状态：线程等待其他线程通知的状态。
• 终止状态：线程正常结束的状态。

线程调度

线程调度是操作系统将线程分配CPU的过程。使用Thread类中的方法可以对线程进行调度：

• start()：启动线程执行。
• join()：等待线程完成。
• wait()：让线程等待。
• notify()：唤醒等待的线程。
• yield()：让当前线程暂停，供其他线程执行。

线程优先级

线程优先级由1到10表示，1为最低优先级，10为最高优先级。优先级高的线程获得CPU资源的概率较大。

5. 线程的同步与锁

同步代码块

synchronized代码块可以保护共享资源的访问，防止数据竞争和 race condition。使用synchronized块可以确保在多线程环境下，共享资源的访问是安全的。

死锁

死锁是指多个线程在等待对方完成的操作而无法继续执行的状态。发生死锁的原因是线程尝试占有多个锁，而这些锁之间没有相互释放的机制。

解决死锁

• 减少锁嵌套：尽量减少对多个锁的嵌套使用。
• 释放锁：确保当前线程在等待时释放锁。
• 使用非阻塞锁：如ReentrantLock，提供更高的灵活性。

6. 生产者与消费者问题

问题描述

生产者不断生产商品，消费者不断消费商品。如何在高并发环境下确保生产者和消费者的高效交替，防止数据丢失和不一致。

解决方案

• 使用synchronized方法控制对共享资源的访问。
• 使用wait和notify方法实现生产者与消费者的等待和通知。
• 使用ThreadLocal来保护共享资源的局部性。

代码示例

public class Movie {
    private String name;
    private String info;
    private Boolean flag = true;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public String getInfo() {
        return info;
    }
    public synchronized void get() {
        if (flag) {
            try {
                super.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(this.getName() + "-" + this.getInfo());
        flag = true;
        super.notify();
    }
    public synchronized void set(String name, String info) {
        if (!flag) {
            try {
                super.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        this.name = name;
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.info = info;
        flag = false;
        super.notify();
    }
}

7. 实际应用中的线程优化

线程礼让

线程礼让可以让当前线程暂停一段时间，允许其他线程获得执行机会。

线程强制执行

在某些场景下，需要强制让线程立即执行当前任务，而不等待I/O操作完成。

线程阻止与恢复

使用Thread类的stop和resume方法，可以对线程进行阻止和恢复操作。

8. 总结

多线程编程能够显著提升应用程序的性能，但也带来了较高的复杂性。合理使用线程池、同步机制和并发控制，可以有效避免线程安全问题，提升应用程序的稳定性和性能。