Java核心知识体系10-线程管理

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在Java程序开发中，线程管理是一个至关重要的方面。它涉及到如何有效地创建、调度、同步和销毁线程，以确保程序的性能、响应性和稳定性。以下是对Java线程管理的详细探讨。

1 线程的基本概念

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。每个线程都有一个独立的执行路径，但共享进程的资源，如内存和文件句柄。在Java中，线程可以通过继承Thread类或实现Runnable接口来创建。

此外，Java 5开始，引入了java.util.concurrent包，提供了更多的并发工具，如Callable接口与Future接口，它们主要用于任务执行。

2 线程的创建与启动

2.1 继承Thread类

• 创建一个类继承自Thread类。
• 重写run()方法，该方法包含了线程要执行的任务。
• 创建该类的对象，并调用start()方法启动线程。

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("线程运行中");
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start(); // 调用start()方法来启动线程
    }
}

2.2 实现Runnable接口

• 创建一个类实现Runnable接口。
• 实现run()方法，该方法同样包含了线程要执行的任务。
• 将该类的对象作为参数传递给Thread类的构造函数，创建Thread对象。
• 调用Thread对象的start()方法启动线程。

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("线程运行中");
    }
}

public class RunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 调用start()方法来启动线程
    }
}

3 线程的同步与通信

由于多个线程可能会同时访问共享资源，因此需要使用同步机制来确保数据的正确性和一致性。Java提供了多种同步机制，如synchronized关键字、wait()和notify()方法、以及ReentrantLock等。

3.1 synchronized关键字

1. 可以用于方法或代码块上，以确保同一时刻只有一个线程能够执行该方法或代码块。
2. 当一个线程持有某个对象的锁时，其他线程将无法访问该对象的同步方法或代码块，直到锁被释放。

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    // 同步方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        // 创建多个线程来测试同步
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });

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

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

        // 等待线程执行完毕
        t1.join();
        t2.join();

        // 输出最终结果
        System.out.println("Final count: " + example.getCount()); // 最终输出2000
    }
}

3.2 wait()和notify()方法

这两个方法用于在线程之间进行通信。

1. wait()方法使当前线程等待，直到其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒它。
2. notify()方法唤醒一个等待该对象的线程（如果有多个线程在等待，则选择其中一个），而notifyAll()方法唤醒所有等待该对象的线程。

# 先写后读
public class WaitNotifyExample {
    private final Object lock = new Object();
    private boolean ready = false;

    public void writer() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            // 模拟写操作
            Thread.sleep(1000); // 假设写操作需要1秒
            System.out.println("Data is ready");
            ready = true;
            lock.notify(); // 唤醒等待的线程
        }
    }

    public void reader() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            while (!ready) {
                lock.wait(); // 等待数据准备好
            }
            // 读取数据
            System.out.println("Data has been read");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();

        Thread writerThread = new Thread(example::writer);
        Thread readerThread = new Thread(example::reader);

        writerThread.start();
        readerThread.start();
    }
}

3.3 ReentrantLock

1. 提供了比synchronized更灵活的锁机制。
2. 可以显式地加锁和解锁，还支持公平锁和非公平锁等特性。

四、线程的生命周期与状态

Java线程在其生命周期中会经历多种状态，包括新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、超时等待（Timed Waiting）和终止（Terminated）。

• 新建（New）：线程被创建但尚未启动。
• 就绪（Runnable）：线程已启动且正在等待CPU分配时间片。
• 运行（Running）：线程正在执行其任务。
• 阻塞（Blocked）：线程因等待某个条件而暂时停止执行。
• 等待（Waiting）：线程因调用wait()方法而等待其他线程唤醒。
• 超时等待（Timed Waiting）：线程在等待某个条件的同时还设置了一个超时时间。
• 终止（Terminated）：线程已完成任务并退出。

5 线程池

为了更有效地管理线程，Java提供了线程池机制。线程池是一种用于管理和复用线程的框架，它允许开发者以较小的开销来创建和管理大量的线程。Java中的ExecutorService接口及其实现类（如ThreadPoolExecutor）提供了强大的线程池功能。

Java中提供了几种常见的线程池类型，包括：

1. FixedThreadPool（固定大小线程池）：包含固定数量的线程，适用于需要限制并发线程数量的场景。
2. CachedThreadPool（缓存线程池）：不固定线程数量，可以根据需要自动创建新线程，适用于短期异步任务。
3. SingleThreadPool（单线程池）：只包含一个工作线程，保证所有任务按顺序执行，适用于需要保持任务顺序执行的场景。
4. ScheduledThreadPool（定时线程池）：可以执行定时任务和周期性任务。
5. WorkStealingPool（工作窃取线程池）：Java 8中引入的一种新类型的线程池，主要用于处理耗时任务，适用于需要大量并行任务、任务之间没有依赖关系的情况。

在后续的章节里面，我们会专门来详细介绍下线程池的使用

6 最佳实践

• 避免创建过多的线程：过多的线程会导致上下文切换频繁，从而降低系统性能。
• 合理设置线程优先级：根据任务的紧急程度和重要性来设置线程的优先级。
• 使用线程安全的集合：在多线程环境下使用线程安全的集合来避免数据不一致的问题。
• 避免死锁：在设计多线程程序时要特别注意避免死锁的发生。

综上所述，Java线程管理是一个复杂而重要的领域。通过合理地创建、调度、同步和销毁线程，可以显著提高程序的性能、响应性和稳定性。同时，开发者还需要遵循一些最佳实践来避免常见的问题和陷阱。