第七章、多线程编程

Java多线程编程是实现并发程序的重要技术，能够有效提升程序性能和资源利用率。以下是Java多线程的核心知识点及实践指南：

一、线程创建与管理

1. 创建线程的三种方式

   • 继承Thread类：

     java

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

   • 实现Runnable接口（推荐，避免单继承局限）：

     java

     class MyTask implements Runnable {
         public void run() {
             System.out.println("Task running");
         }
     }
     new Thread(new MyTask()).start();

   • 实现Callable接口（支持返回值）：

     java

     class MyCallable implements Callable<String> {
         public String call() throws Exception {
             return "Callable result";
         }
     }
     FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
     new Thread(futureTask).start();
     System.out.println(futureTask.get()); // 获取返回值

2. 线程池（ThreadPoolExecutor）

   • 手动创建线程池（推荐方式）：

     java

     int corePoolSize = 5;
     int maxPoolSize = 10;
     long keepAliveTime = 1L;
     BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(100);
     ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
         corePoolSize, maxPoolSize, keepAliveTime, TimeUnit.SECONDS, workQueue
     );
     executor.execute(() -> System.out.println("Task executed"));

   • 常用线程池类型：

     • FixedThreadPool：固定线程数，适合负载较重的服务器。

     • CachedThreadPool：线程数按需创建，适合短期异步任务。

     • SingleThreadExecutor：单个线程顺序执行任务。

二、线程同步与锁机制

1. synchronized关键字

   • 同步方法：

     java

     public synchronized void syncMethod() {
         // 同步代码
     }

   • 同步代码块：

     java

     public void method() {
         synchronized(this) {
             // 同步代码
         }
     }

2. ReentrantLock（可重入锁）

   java

   private final Lock lock = new ReentrantLock();
   public void performTask() {
       lock.lock();
       try {
           // 临界区代码
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }

3. ReadWriteLock（读写锁）

   java

   private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
   public void readData() {
       rwLock.readLock().lock();
       try {
           // 读操作
       } finally {
           rwLock.readLock().unlock();
       }
   }
   public void writeData() {
       rwLock.writeLock().lock();
       try {
           // 写操作
       } finally {
           rwLock.writeLock().unlock();
       }
   }

4. 原子类（Atomic Classes）

   java

   private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
   public void increment() {
       count.incrementAndGet(); // 原子操作
   }

三、线程间通信

1. wait()/notify()机制

   java

   synchronized(lock) {
       while (conditionNotMet) {
           lock.wait(); // 释放锁并等待
       }
       // 执行任务
       lock.notifyAll(); // 唤醒所有等待线程
   }

2. Condition接口（配合Lock使用）

   java

   private Lock lock = new ReentrantLock();
   private Condition condition = lock.newCondition();
   public void awaitMethod() throws InterruptedException {
       lock.lock();
       try {
           condition.await(); // 类似wait()
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }
   public void signalMethod() {
       lock.lock();
       try {
           condition.signal(); // 类似notify()
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }

四、并发工具类

1. CountDownLatch（倒计时门闩）

   java

   CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
   // 线程完成任务后调用latch.countDown()
   latch.await(); // 主线程等待所有任务完成

2. CyclicBarrier（循环屏障）

   java

   CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> 
       System.out.println("All threads reached barrier"));
   // 线程调用barrier.await()等待其他线程

3. Semaphore（信号量）

   java

   Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 允许5个线程同时访问
   semaphore.acquire(); // 获取许可
   try {
       // 访问资源
   } finally {
       semaphore.release(); // 释放许可
   }

4. Exchanger（交换器）

   java

   Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
   // 线程A
   String dataA = exchanger.exchange("Data from A");
   // 线程B
   String dataB = exchanger.exchange("Data from B");

五、高级并发特性

1. CompletableFuture（异步编程）

   java

   CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
       .thenApplyAsync(s -> s + " World")
       .thenAccept(System.out::println);

2. Fork/Join框架（分治任务）

   java

   class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {
       protected Integer compute() {
           // 分解任务并合并结果
       }
   }
   ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
   pool.invoke(new MyTask());

3. ThreadLocal（线程局部变量）

   java

   private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormat = 
       ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));

六、避免常见问题

• 死锁预防：按固定顺序获取锁，使用尝试锁（tryLock()）。

• 资源竞争：最小化同步代码块，使用并发集合（如ConcurrentHashMap）。

• 内存可见性：使用volatile变量或原子类确保修改可见性。

• 线程泄漏：确保线程池正确关闭，任务处理异常。

七、性能调优建议

• 合理设置线程池大小：

  • CPU密集型：线程数 = CPU核心数 + 1

  • IO密集型：线程数 = CPU核心数 * (1 + 平均等待时间/计算时间)

• 减少锁竞争：使用分段锁、无锁数据结构（如Disruptor框架）。

• 监控工具：使用JConsole、VisualVM分析线程状态，检测死锁。

示例：生产者-消费者模型

java

BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);

// 生产者
new Thread(() -> {
    while (true) {
        int num = produceItem();
        queue.put(num); // 阻塞直到队列有空位
    }
}).start();

// 消费者
new Thread(() -> {
    while (true) {
        int num = queue.take(); // 阻塞直到队列有元素
        consumeItem(num);
    }
}).start();

掌握这些核心概念和工具，能够有效开发高效、健壮的Java多线程应用。实际开发中需结合具体场景选择合适的并发策略，并通过测试确保线程安全与性能达标。