Java中的线程安全与同步机制

# 1. 【Java中的线程安全与同步机制】

## 第一章：介绍多线程和线程安全

本章将介绍Java中的多线程概念以及为什么需要线程安全，理解线程安全的概念和意义。

### 2.1 什么是多线程
多线程是指在一个程序中同时运行多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务。多线程可以提高程序的运行效率和资源利用率。

### 2.2 为什么需要线程安全
在多线程环境中，多个线程同时访问共享数据可能会导致数据不一致或出现竞态条件。因此，需要确保线程在访问共享数据时不会发生冲突或错误。

### 2.3 线程安全的概念和意义
线程安全是指多个线程访问共享数据时，保证数据的一致性和正确性。通过同步机制和锁来确保在线程间协调执行时不会发生数据错误。

在实际项目中，线程安全至关重要，可以避免因数据错误导致的程序崩溃和数据混乱现象。通过学习线程安全和同步机制，可以更好地编写并发程序，提高程序的稳定性和性能。

通过本章的内容，读者可以全面了解多线程和线程安全的基本概念，为后续深入学习 Java 中的线程基础和同步机制奠定基础。

# 2. Java中的线程基础

在 Java 中，线程是一种轻量级的子进程，可以并发地执行任务。通过多线程的方式，可以更充分地利用计算机的多核处理器，提高程序的运行效率，实现并发编程。

#### 创建线程的方式

在 Java 中，创建线程有两种方式：继承 Thread 类和实现 Runnable 接口。

- 继承 Thread 类：

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

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

- 实现 Runnable 接口：

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

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

#### 线程生命周期及状态转换

在 Java 中，线程的状态包括新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、超时等待（Timed Waiting）和终止（Terminated）。

下面是线程状态转换的流程图：

graph LR
    A(新建) --> B(就绪)
    B --> C(运行)
    C --> D(阻塞)
    D --> C
    C --> E(等待)
    E --> C
    C --> F(超时等待)
    F --> C
    C --> G(终止)

#### 线程调度和优先级

Java 中的线程调度是由 JVM 的线程调度器来完成的。每个线程都有一个优先级，优先级高的线程会获得更多的 CPU 时间片。

可以使用 Thread 类的 setPriority() 方法来设置线程的优先级，优先级范围是 1 到 10，其中 1 是最低优先级，10 是最高优先级。

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread1 = new MyThread();
        MyThread thread2 = new MyThread();

        thread1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        thread2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

通过以上方式，我们可以在 Java 中灵活地创建线程并控制线程的生命周期和优先级，实现多线程编程的需求。

# 3. Java中的线程基础

#### 3.1 创建线程的方式
在Java中，有两种常见的方式来创建线程：
1. 通过继承Thread类来创建线程，重写run()方法并在其中定义线程的执行逻辑。
2. 通过实现Runnable接口来创建线程，实现run()方法并将其传递给Thread类的构造函数。

下表对比了这两种方式的区别：

| 方式 | 优点 | 缺点 |
|----------------|------------------------------------|----------------------------------------------------------|
| 继承Thread类 | 简单，直接通过继承即可创建并启动线程 | 不能再继续其他类，限制了代码的扩展性 |
| 实现Runnable接口 | 提高了代码的复用性，一个线程对象可以被多个线程共享 | 需要额外创建Thread对象，并将Runnable对象传递进去，稍显繁琐 |

#### 3.2 线程生命周期及状态转换
Java线程的生命周期包括以下状态：
1. 新建（New）：线程刚被创建，尚未启动。
2. 就绪（Runnable）：线程已经被创建并启动，但尚未分配到CPU资源执行。
3. 运行（Running）：线程获得CPU资源正在执行。
4. 阻塞（Blocked）：线程因为某些原因暂时中断执行。
5. 等待（Waiting）：线程无限期等待另一线程的通知。
6. 超时等待（Timed Waiting）：线程等待一定时间后自动恢复。
7. 终止（Terminated）：线程执行完毕或因异常退出。

下面是一个简单的Java代码示例来展示线程状态的转换：

public class ThreadLifecycleDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("Thread is running...");
        });

        System.out.println("Thread state: " + thread.getState()); // NEW

        thread.start();