Java多线程入门介绍

在Java编程中，线程并发是一个核心且复杂的话题，它允许开发者利用现代多核处理器的计算能力，通过并行执行多个任务来优化应用程序的性能。然而，线程并发也带来了数据竞争、死锁、线程饥饿等问题，需要开发者深入理解并发模型及其相关机制。本文将详细介绍Java中线程并发的内容，包括基本概念、使用场景以及常用的关键字和对应的代码。

一、Java线程并发基础

在深入探讨Java线程并发之前，有必要先区分线程（Thread）与进程（Process）的概念。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单元，它拥有独立的内存空间和系统资源。而线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的独立运行的单位。一个进程可以拥有多个线程，这些线程共享进程的资源，包括内存、文件句柄等。
在Java中，线程可以通过继承Thread类或实现Runnable接口来创建。Java虚拟机（JVM）负责线程的调度和执行，它采用抢占式调度模型，即线程的执行时间和顺序由JVM的线程调度器决定，而非由程序员控制。

// 继承Thread类创建线程  
class MyThread extends Thread {  public void run() {  System.out.println("Thread is running");  }  
}  // 实现Runnable接口创建线程  
class MyRunnable implements Runnable {  public void run() {  System.out.println("Runnable is running");  }  
}  // 创建并启动线程  
MyThread thread = new MyThread();  
thread.start();  Thread runnableThread = new Thread(new MyRunnable());  
runnableThread.start();

二、线程同步与通信

在多线程环境下，由于多个线程可能同时访问共享资源，因此必须采取适当的同步机制来避免数据竞争和一致性问题。Java提供了多种同步机制，包括synchronized关键字、volatile关键字、Lock接口及其实现类（如ReentrantLock）、以及wait、notify、notifyAll等方法。

1、 synchronized

synchronized是Java中用于控制多个线程对共享资源的访问，确保同一时刻只有一个线程可以执行某个方法或代码块。它可以修饰方法或代码块。
代码示例：

public class Counter {  private int count = 0;  // synchronized方法  public synchronized void increment() {  count++; // 复合操作，但在synchronized方法中认为是原子的  }  // synchronized代码块  public void decrement() {  synchronized (this) {  count--;  }  }  public synchronized int getCount() {  return count;  }  
}

2、volatile

volatile关键字用于确保变量的修改对所有线程立即可见，它禁止了指令重排序优化，并确保了变量修改的原子性（但仅限于单个变量的读写操作）。
代码示例：

public class FlagController {  private volatile boolean running = true;  public void stopRunning() {  running = false;  }  public boolean isRunning() {  return running;  }  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  FlagController controller = new FlagController();  Thread thread = new Thread(() -> {  while (controller.isRunning()) {  // 执行任务  try {  Thread.sleep(100);  } catch (InterruptedException e) {  Thread.currentThread().interrupt();  }  }  System.out.println("Thread stopped");  });  thread.start();  Thread.sleep(500); // 让线程运行一段时间  controller.stopRunning(); // 停止线程  }  
}

注意： 实际上，volatile在这里仅用于演示变量可见性，而线程的停止通常不建议使用volatile标志位控制，因为这种方式不够优雅且难以处理所有情况（如线程阻塞时）。

3、Lock接口及其实现

Lock接口提供了比synchronized更灵活的锁定机制，它允许在尝试获取锁时设置超时时间、响应中断，以及尝试非阻塞地获取锁。ReentrantLock是Lock接口的一个实现，支持重入性。
代码示例：

import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  public class CounterWithLock {  private final Lock lock = new ReentrantLock();  private int count = 0;  public void increment() {  lock.lock();  try {  count++;  } finally {  lock.unlock();  }  }  public int getCount() {  lock.lock();  try {  return count;  } finally {  lock.unlock();  }  }  
}

4、wait/notify/notifyAll

这些方法用于在synchronized块或方法内部实现线程间的通信。wait()使当前线程等待，直到另一个线程调用同一对象的notify()或notifyAll()方法。notifyAll()唤醒在该对象上等待的所有线程。
代码示例：

public class ProducerConsumerQueue {  private final Object lock = new Object();  private int[] queue = new int[10];  private int head = 0, tail = 0;  public void produce(int value) throws InterruptedException {  synchronized (lock) {  while ((tail + 1) % queue.length == head) {  lock.wait(); // 等待队列不满  }  queue[tail] = value;  tail = (tail + 1) % queue.length;  lock.notifyAll(); // 通知等待的消费者  }  }  public int consume() throws InterruptedException {  synchronized (lock) {  while (head == tail) {  lock.wait(); // 等待队列不为空  }  int value = queue[head];  head = (head + 1) % queue.length;  lock.notifyAll(); // 通知等待的生产者  return value;  }  }  
}

三、线程通信与协作

除了上述同步机制外，Java还提供了join、interrupt等方法来实现线程间的通信与协作。

1、join

join方法用于使当前线程等待另一个线程完成。这常用于控制线程的执行顺序，确保某个线程在继续执行之前，另一个线程已经完成其任务。
代码示例：

public class Main {  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  Thread thread = new Thread(() -> {  System.out.println("Thread is running");  try {  Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作  } catch (InterruptedException e) {  Thread.currentThread().interrupt();  }  System.out.println("Thread is finished");  });  thread.start();  thread.join(); // 等待thread线程完成  System.out.println("Main thread continues");  }  
}

2、interrupt

interrupt方法用于中断线程。当一个线程被中断时，它的中断状态会被设置为true。线程可以通过检查中断状态或捕获InterruptedException来响应中断。
注意： 实际上，interrupt并不直接停止线程的执行，而是给线程发送一个中断信号。线程需要通过检查中断状态或捕获InterruptedException来响应这个信号，并适当地停止自己的执行。

四、使用场景

线程并发的使用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：

1、服务器应用：

在Web服务器、数据库服务器等应用中，通过多线程处理客户端请求，提高并发处理能力。

2、图形用户界面（GUI）：

在Java Swing或JavaFX等GUI框架中，事件处理通常是在单独的线程中进行的，以避免界面冻结。

3、数据处理与分析：

在处理大量数据时，可以利用多线程并行处理数据块，加速数据处理速度。

4、游戏开发：

在游戏开发中，多线程可以用于处理游戏逻辑、渲染图形、处理网络通信等任务，提升游戏的响应性和流畅度。

五、总结

Java中的线程并发是一个强大而复杂的特性，它允许开发者编写出高效、响应性强的应用程序。然而，线程并发也带来了数据竞争、死锁、线程饥饿等问题，需要开发者深入理解同步机制、线程间通信与协作等内容。本文介绍了Java中线程并发的基础概念、使用场景，并详细解释了synchronized、volatile、Lock、wait、join、notifyAll等关键字的用法。