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Java如何實現多線程、線程同步

發布時間:2022-04-27 10:43:22 來源:億速云 閱讀:181 作者:iii 欄目:編程語言

Java如何實現多線程、線程同步

目錄

  1. 引言
  2. 多線程基礎
  3. 線程同步
  4. 線程通信
  5. 線程池
  6. 高級多線程技術
  7. 總結

引言

在現代計算機系統中,多線程編程已經成為提高程序性能、充分利用多核CPU資源的重要手段。Java作為一門廣泛使用的編程語言,提供了豐富的多線程支持。本文將詳細介紹Java中如何實現多線程、線程同步以及相關的高級技術。

多線程基礎

什么是線程

線程是操作系統能夠進行運算調度的最小單位。它被包含在進程之中,是進程中的實際運作單位。一個進程可以包含多個線程,這些線程共享進程的內存空間和資源。

線程的生命周期

線程的生命周期包括以下幾個狀態:

  1. 新建(New):線程對象被創建,但尚未啟動。
  2. 就緒(Runnable):線程已經啟動,等待CPU調度執行。
  3. 運行(Running):線程正在執行。
  4. 阻塞(Blocked):線程因為某些原因(如等待I/O操作、等待鎖等)暫時停止執行。
  5. 終止(Terminated):線程執行完畢或被強制終止。

創建線程的方式

Java提供了多種創建線程的方式,下面將詳細介紹。

繼承Thread類

通過繼承Thread類并重寫run()方法,可以創建一個新的線程。

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

實現Runnable接口

通過實現Runnable接口并重寫run()方法,可以將任務與線程分離。

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
        thread.start();
    }
}

實現Callable接口

Callable接口與Runnable接口類似,但它可以返回一個結果,并且可以拋出異常。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.FutureTask;

class MyCallable implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "Thread is running";
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();
        System.out.println(futureTask.get());
    }
}

使用線程池

線程池是一種管理線程的機制,可以有效地控制線程的數量和執行。

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable worker = new MyRunnable();
            executor.execute(worker);
        }
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
        }
        System.out.println("All threads are finished");
    }
}

線程同步

為什么需要線程同步

在多線程環境中,多個線程可能會同時訪問共享資源,導致數據不一致或程序行為異常。線程同步的目的是確保多個線程在訪問共享資源時能夠有序地進行,避免競爭條件。

同步方法

通過在方法前加上synchronized關鍵字,可以將方法聲明為同步方法。同一時間只有一個線程可以執行該方法。

class Counter {
    private int count = 0;

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

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

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

同步代碼塊

同步代碼塊允許更細粒度的控制,只對需要同步的代碼進行加鎖。

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

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

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

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

使用Lock對象

Lock接口提供了比synchronized更靈活的鎖機制。ReentrantLockLock接口的一個實現類。

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

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

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

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

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

使用volatile關鍵字

volatile關鍵字用于確保變量的可見性。當一個變量被聲明為volatile時,線程在讀取該變量時會直接從主內存中讀取,而不是從線程的本地內存中讀取。

class Counter {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

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

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

使用原子類

Java提供了一系列原子類(如AtomicInteger、AtomicLong等),這些類提供了原子操作,可以在多線程環境中安全地操作變量。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

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

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

線程通信

wait()和notify()

wait()notify()是Java中用于線程通信的基本方法。wait()使當前線程進入等待狀態,直到其他線程調用notify()notifyAll()喚醒它。

class SharedResource {
    private boolean isReady = false;

    public synchronized void waitForReady() throws InterruptedException {
        while (!isReady) {
            wait();
        }
    }

    public synchronized void setReady() {
        isReady = true;
        notifyAll();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SharedResource resource = new SharedResource();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                resource.waitForReady();
                System.out.println("Thread 1 is running");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                resource.setReady();
                System.out.println("Thread 2 is running");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

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

Condition對象

Condition對象是Lock接口的一部分,提供了更靈活的線程通信機制。

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

class SharedResource {
    private boolean isReady = false;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();

    public void waitForReady() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (!isReady) {
                condition.await();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setReady() {
        lock.lock();
        try {
            isReady = true;
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SharedResource resource = new SharedResource();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                resource.waitForReady();
                System.out.println("Thread 1 is running");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                resource.setReady();
                System.out.println("Thread 2 is running");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

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

線程池

線程池的優勢

線程池的主要優勢包括:

  1. 降低資源消耗:通過復用線程,減少線程創建和銷毀的開銷。
  2. 提高響應速度:任務到達時可以直接執行,無需等待線程創建。
  3. 提高線程的可管理性:線程池可以統一管理線程,避免線程過多導致系統資源耗盡。

線程池的實現

Java提供了ExecutorService接口及其實現類ThreadPoolExecutor來管理線程池。

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable worker = new MyRunnable();
            executor.execute(worker);
        }
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
        }
        System.out.println("All threads are finished");
    }
}

線程池的配置

線程池的配置參數包括:

  1. 核心線程數(corePoolSize):線程池中保持的最小線程數。
  2. 最大線程數(maximumPoolSize):線程池中允許的最大線程數。
  3. 空閑線程存活時間(keepAliveTime):當線程池中的線程數超過核心線程數時,多余的空閑線程的存活時間。
  4. 任務隊列(workQueue):用于存放待執行任務的隊列。
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                2, // corePoolSize
                4, // maximumPoolSize
                60, // keepAliveTime
                TimeUnit.SECONDS, // unit
                new LinkedBlockingQueue<>(10) // workQueue
        );

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable worker = new MyRunnable();
            executor.execute(worker);
        }

        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
        }
        System.out.println("All threads are finished");
    }
}

高級多線程技術

Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java 7引入的一個并行計算框架,適用于將一個大任務拆分成多個小任務并行執行的場景。

import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int start;
    private final int end;

    public MyTask(int start, int end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (end - start <= 10) {
            int sum = 0;
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
            return sum;
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            MyTask leftTask = new MyTask(start, mid);
            MyTask rightTask = new MyTask(mid + 1, end);
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            return leftTask.join() + rightTask.join();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        MyTask task = new MyTask(1, 100);
        int result = pool.invoke(task);
        System.out.println("Result: " + result);
    }
}

CompletableFuture

CompletableFuture是Java 8引入的一個類,用于處理異步編程和流式編程。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "Hello, World!";
        });

        future.thenAccept(System.out::println);

        System.out.println("Main thread is running");

        future.get();
    }
}

并發集合

Java提供了一系列并發集合類,如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等,這些類在多線程環境中提供了線程安全的操作。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

        map.put("one", 1);
        map.put("two", 2);
        map.put("three", 3);

        map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));
    }
}

總結

Java提供了豐富的多線程支持,從基礎的線程創建、線程同步到高級的線程池、并發集合等,開發者可以根據具體需求選擇合適的技術。掌握這些技術不僅可以提高程序的性能,還能確保程序在多線程環境下的正確性和穩定性。希望本文能幫助讀者更好地理解和應用Java中的多線程編程技術。

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