java多线程（超详细！）

0385

Java 的多线程是一种允许在一个程序中同时运行多个线程的技术。每个线程是独立的执行路径，可以并发执行，从而提高程序的效率和响应能力。

1. 线程基础

Java 中的线程可以通过继承 Thread 类或实现 Runnable 接口来创建和管理。

1.1 继承 Thread 类

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

public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        t1.start(); // 启动线程
    }
}

run() 方法包含线程执行的代码，而 start() 方法用于启动新线程。

1.2 实现 Runnable 接口

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running...");
    }
}

public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread t1 = new Thread(myRunnable);
        t1.start(); // 启动线程
    }
}

通过实现 Runnable 接口的方式可以更灵活地共享资源。

2. 线程的生命周期

线程在其生命周期中经历以下状态：

  • 新建（New）： 线程对象被创建，但还没有调用 start() 方法。
  • 就绪（Runnable）： 线程对象调用了 start() 方法，等待 CPU 调度。
  • 运行（Running）： 线程获得 CPU，开始执行 run() 方法的代码。
  • 阻塞（Blocked）： 线程因为某种原因（如等待资源、睡眠）被挂起。
  • 死亡（Dead）： 线程执行完 run() 方法，或者因异常退出。

3. 线程控制

Java 提供了一些方法来控制线程的执行：

  • sleep(long millis)：让当前线程睡眠指定的毫秒数。
  • join()：等待该线程终止，也就是说等待当前的线程结束, 才会继续执行下面的代码
  • yield()：暂停当前线程，让出 CPU 给其他线程。
  • interrupt()：中断线程。

4. 线程同步

多线程程序中可能会出现多个线程同时访问共享资源的情况，导致数据不一致的问题。为了解决这个问题，可以使用同步技术。

4.1. ReentrantLock

ReentrantLock 提供了比 synchronized 更加灵活的锁机制，可以显式地锁定和解锁。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count = 0;

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

4.2. ReadWriteLock

ReadWriteLock 提供了一对锁，一个用于读操作，一个用于写操作。这允许多个读线程同时访问共享资源，但在写线程访问时会独占锁。

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {
    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private int count = 0;

    public void increment() {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }
}

4.3 synchronized

在方法前使用 synchronized 关键字，确保同一时间只有一个线程可以执行该方法。

class Counter {
    private int count = 0;

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

4.4 同步块

同步块可以更灵活地控制需要同步的代码块，而不是整个方法。

class Counter {
    private int count = 0;

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

4.5 注意事项

下面代码中的写法, 不能保证同一时间只有一个线程可以执行该方法。

因为 4.3 和 4.4 中 synchronized 的写法是根据 this 来保证同一时间只有一个线程可以执行, 但是他们的 this 是不同的。(把 “需要替换的” 换成注释上的就可以 “保证同一时间只有一个线程可以执行”)

class Worker implements Runnable {
    public static int cnt = 0;

    @Override
    public synchronized void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i ++) {
            cnt ++;
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
//        Worker worker = new Worker();
//        Thread t1 = new Thread(worker);
//        Thread t2 = new Thread(worker);

        Thread t1 = new Thread(new Worker());	// 需要替换
        Thread t2 = new Thread(new Worker());	// 需要替换

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(Worker.cnt);
    }
}

当然, 4.4 的代码也可以写成下面这样，这样他就是根据 lock 这个对象来保证同步的, java中的对象都可以当作lock

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

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

5. 线程通信

Java 提供了 wait(), notify(), notifyAll() 方法来实现线程间的通信。

  • wait()：让当前线程等待，直到其他线程调用 notify() 或 notifyAll()。
  • notify()：唤醒一个正在等待的线程。
  • notifyAll()：唤醒所有正在等待的线程。

6. 线程池

使用线程池可以有效地管理和复用线程，减少创建和销毁线程的开销。Java 提供了 Executor 框架来管理线程池。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TestThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.execute(new MyRunnable());
        }
        executor.shutdown();
    }
}

7. 高级线程工具

Java 提供了很多高级线程工具，如 Semaphore, CountDownLatch, CyclicBarrier 等，用于复杂的线程协调和同步。

7.1 Semaphore

信号量控制同时访问特定资源的线程数量。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class TestSemaphore {
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is accessing the resource.");
                Thread.sleep(2000);
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

7.2 CountDownLatch

允许一个或多个线程等待，直到在其他线程中执行的一组操作完成。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class TestCountDownLatch {
    private static final int THREAD_COUNT = 3;
    private static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
        try {
            latch.await(); // 主线程等待所有子线程完成
            System.out.println("All threads have finished.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {
        public void run() {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is working.");
            latch.countDown(); // 计数器减一
        }
    }
}

结论

Java 多线程是一个强大且复杂的技术，需要深入理解和小心使用，以避免潜在的并发问题和死锁情况。通过合理地利用线程同步、线程通信和线程池等工具，可以编写高效且安全的多线程应用程序。

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THE END
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