Java核心知识体系10-线程管理
Java系列
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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
- 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。
- 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。
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。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
- 提供了比
synchronized更灵活的锁机制。 - 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：
- 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。
- 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。
- 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。
- ScheduledThreadPool（定时线程池）：可以执行定时任务和周期性任务。
- 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。
