在當今的軟件開發中，多線程編程已經成為提高程序性能、提升用戶體驗的重要手段。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。掌握Java多線程編程不僅能夠幫助開發者編寫高效、穩定的程序，還能在面對復雜的并發問題時游刃有余。
本文將深入探討Java多線程編程的各個方面，從基礎概念到高級應用，幫助讀者全面掌握Java多線程編程的核心知識和技能。
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資源，但每個線程都有自己的?？臻g和程序計數器。
線程的生命周期包括以下幾個狀態：
在Java中，創建線程主要有以下幾種方式：
MyThread thread = new MyThread(); thread.start();
2. **實現Runnable接口**：
```java
class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// 線程執行的代碼
}
}
Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.start();
ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future
## 線程同步與鎖機制
### 線程安全問題
在多線程環境下，多個線程同時訪問共享資源時，可能會導致數據不一致或程序行為異常。這種問題稱為線程安全問題。
### synchronized關鍵字
`synchronized`是Java中最常用的同步機制。它可以用來修飾方法或代碼塊，確保同一時間只有一個線程可以執行被修飾的代碼。
```java
class Counter {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}
Lock接口提供了比synchronized更靈活的鎖機制。常用的實現類是ReentrantLock。
class Counter {
private int count = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
死鎖是指兩個或多個線程在執行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現象，導致這些線程都無法繼續執行下去。
class DeadlockExample {
private final Object lock1 = new Object();
private final Object lock2 = new Object();
public void method1() {
synchronized (lock1) {
synchronized (lock2) {
// 執行代碼
}
}
}
public void method2() {
synchronized (lock2) {
synchronized (lock1) {
// 執行代碼
}
}
}
}
wait和notify是Java中用于線程間通信的機制。wait使當前線程進入等待狀態，直到其他線程調用notify或notifyAll方法喚醒它。
class SharedResource {
private boolean flag = false;
public synchronized void waitForFlag() throws InterruptedException {
while (!flag) {
wait();
}
}
public synchronized void setFlag() {
flag = true;
notifyAll();
}
}
Condition接口提供了比wait/notify更靈活的線程間通信機制。它通常與Lock接口一起使用。
class SharedResource {
private boolean flag = false;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
public void waitForFlag() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (!flag) {
condition.await();
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void setFlag() {
lock.lock();
try {
flag = true;
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
生產者-消費者模型是多線程編程中經典的同步問題。生產者線程負責生產數據，消費者線程負責消費數據。
class Buffer {
private Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
private int capacity;
public Buffer(int capacity) {
this.capacity = capacity;
}
public synchronized void produce(int value) throws InterruptedException {
while (queue.size() == capacity) {
wait();
}
queue.add(value);
notifyAll();
}
public synchronized int consume() throws InterruptedException {
while (queue.isEmpty()) {
wait();
}
int value = queue.poll();
notifyAll();
return value;
}
}
線程池的主要優勢包括：
Executor框架是Java中用于管理線程池的框架。它提供了多種線程池實現，如FixedThreadPool、CachedThreadPool等。
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
executor.submit(() -> {
// 執行任務
});
executor.shutdown();
ThreadPoolExecutor是Executor框架的核心實現類。它提供了豐富的配置選項，允許開發者自定義線程池的行為。
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
5, // 核心線程數
10, // 最大線程數
60, // 線程空閑時間
TimeUnit.SECONDS, // 時間單位
new LinkedBlockingQueue<>() // 任務隊列
);
executor.submit(() -> {
// 執行任務
});
executor.shutdown();
ScheduledThreadPoolExecutor是ThreadPoolExecutor的子類，用于執行定時任務或周期性任務。
ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(5);
executor.schedule(() -> {
// 執行任務
}, 10, TimeUnit.SECONDS);
executor.scheduleAtFixedRate(() -> {
// 執行周期性任務
}, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
executor.shutdown();
CountDownLatch是一個同步輔助類，允許一個或多個線程等待其他線程完成操作。
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(() -> {
// 執行任務
latch.countDown();
}).start();
}
latch.await(); // 等待所有線程完成任務
CyclicBarrier是一個同步輔助類，允許一組線程互相等待，直到所有線程都到達某個屏障點。
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(() -> {
// 執行任務
barrier.await(); // 等待其他線程
}).start();
}
Semaphore是一個計數信號量，用于控制同時訪問某個資源的線程數量。
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
try {
semaphore.acquire();
// 執行任務
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release();
}
}).start();
}
Exchanger是一個同步點，用于在兩個線程之間交換數據。
Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
new Thread(() -> {
try {
String data = "數據1";
String result = exchanger.exchange(data);
System.out.println("線程1收到: " + result);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
String data = "數據2";
String result = exchanger.exchange(data);
System.out.println("線程2收到: " + result);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
ConcurrentHashMap是線程安全的哈希表實現，支持高并發的讀寫操作。
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key1", 1);
map.put("key2", 2);
int value = map.get("key1");
CopyOnWriteArrayList是線程安全的列表實現，適用于讀多寫少的場景。
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("元素1");
list.add("元素2");
for (String element : list) {
System.out.println(element);
}
BlockingQueue是一個支持阻塞操作的隊列，常用于生產者-消費者模型。
BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);
new Thread(() -> {
try {
queue.put("元素1");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
String element = queue.take();
System.out.println("收到: " + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
AtomicInteger是一個支持原子操作的整數類。
AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
atomicInt.incrementAndGet();
int value = atomicInt.get();
AtomicLong是一個支持原子操作的長整數類。
AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);
atomicLong.incrementAndGet();
long value = atomicLong.get();
AtomicReference是一個支持原子操作的引用類型。
AtomicReference<String> atomicRef = new AtomicReference<>("初始值");
atomicRef.set("新值");
String value = atomicRef.get();
ThreadLocal是一個線程局部變量，每個線程都有自己獨立的變量副本。
ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
new Thread(() -> {
threadLocal.set("線程1的值");
System.out.println(threadLocal.get());
}).start();
new Thread(() -> {
threadLocal.set("線程2的值");
System.out.println(threadLocal.get());
}).start();
InheritableThreadLocal是ThreadLocal的子類，允許子線程繼承父線程的局部變量。
InheritableThreadLocal<String> inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
inheritableThreadLocal.set("父線程的值");
new Thread(() -> {
System.out.println(inheritableThreadLocal.get());
}).start();
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。
ForkJoinPool是Fork/Join框架的核心類，用于管理任務的執行。
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
forkJoinPool.invoke(new RecursiveTask<Integer>() {
@Override
protected Integer compute() {
// 執行任務
return 0;
}
});
RecursiveTask是一個有返回值的任務類，適用于需要返回結果的任務。
class MyRecursiveTask extends RecursiveTask<Integer> {
@Override
protected Integer compute() {
// 執行任務
return 0;
}
}
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
int result = forkJoinPool.invoke(new MyRecursiveTask());
RecursiveAction是一個無返回值的任務類，適用于不需要返回結果的任務。
class MyRecursiveAction extends RecursiveAction {
@Override
protected void compute() {
// 執行任務
}
}
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
forkJoinPool.invoke(new MyRecursiveAction());
Java內存模型（JMM）定義了線程如何與主內存交互，以及線程之間如何共享數據。
可見性是指一個線程對共享變量的修改對其他線程是可見的。volatile關鍵字可以保證變量的可見性。
class SharedResource {
private volatile boolean flag = false;
public void setFlag() {
flag = true;
}
public boolean getFlag() {
return flag;
}
}
有序性是指程序執行的順序與代碼的順序一致。volatile關鍵字和synchronized關鍵字可以保證有序性。
原子性是指一個操作是不可分割的。synchronized關鍵字和原子操作類可以保證原子性。
線程池的調優主要包括以下幾個方面：
LinkedBlockingQueue或ArrayBlockingQueue。鎖優化的主要方法包括：
ReadWriteLock提高并發性能。避免死鎖的主要方法包括：
多線程調試的主要技巧包括：
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