并发与并行编程实践

# 1. 介绍

## 1.1 什么是并发编程

并发编程是指程序设计中涉及多个同时活动的组件，这些组件可能在某些时间上重叠执行，但并不是同时执行。在并发编程中，通常会涉及到多线程、协程、事件驱动等机制，旨在最大限度地提高计算机系统的利用率和吞吐量。

## 1.2 什么是并行编程

与并发编程相反，并行编程是指真正意义上的同时执行多个任务。在并行编程中，各个任务之间是独立的，彼此不会干扰，任务间可以同时进行，这通常需要多核或多处理器系统的支持。

## 1.3 并发与并行的区别与联系

并发与并行都涉及多个任务同时执行，不同之处在于并发是逻辑上的同时执行，而并行是物理上的同时执行。并发更关注任务之间的调度和交替执行，而并行更侧重任务之间的独立执行。然而，并发与并行并不是相互排斥的，它们往往会结合在一起，共同应用于实际的软件系统中。

# 2. 并发编程基础

并发编程是指程序设计中涉及多个同时运行的计算任务，这些任务并不是同时执行的，而是通过时间片轮转的方式实现看似同时运行的效果。在并发编程中，最基本的单位是线程，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。

#### 2.1 线程概念与创建
在并发编程中，线程是指在同一时间段内能够运行的一段程序，它是进程的子任务。线程可以并发执行，因此它是实现并发编程的基本单元。在Java中，创建线程的方式有两种，一种是继承Thread类，另一种是实现Runnable接口，并将其传递给Thread类的构造函数。

// 通过继承Thread类创建线程
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("This is a thread created by extending Thread class.");
    }
}

// 通过实现Runnable接口创建线程
class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("This is a thread created by implementing Runnable interface.");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new MyThread();
        Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable());
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

通过上面的代码示例可知，通过继承Thread类和实现Runnable接口都可以实现线程的创建。

#### 2.2 锁与同步
在多线程并发执行的情况下，可能会出现多个线程访问共享资源的问题，这时就需要使用锁和同步机制来保证线程安全。在Java中，可以使用synchronized关键字或者Lock接口来实现同步。

// 使用synchronized关键字实现同步
public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步代码块
    synchronized (this) {
        // 需要同步的代码
    }
}

// 使用Lock接口实现同步
Lock lock = new ReentrantLock();
public void synchronizedMethod() {
    lock.lock();
    try {
        // 需要同步的代码
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

#### 2.3 线程间通信
当多个线程之间需要进行数据交换或者协作时，就需要线程间通信。在Java中，可以使用wait()、notify()和notifyAll()方法实现线程间通信。

public class SharedObject {
    private boolean isReady = false;
    public synchronized void doWork() {
        while (!isReady) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        // 执行任务
    }
    public synchronized void finishWork() {
        // 完成任务
        isReady = true;
        notifyAll();
    }
}

在上面的示例中，doWork()方法会通过wait()方法释放锁并等待，直到finishWork()方法调用notifyAll()唤醒它。

#### 2.4 线程安全与可见性问题
并发编程中常常会遇到线程安全与可见性问题，比如不当的共享资源访问可能导致数据不一致，以及一个线程对共享变量的修改在另一个线程中不可见。针对这些问题，需要使用volatile关键字、原子变量或者使用synchronized关键字等方式来解决。

以上便是并发编程基础的内容，通过对线程的概念与创建、锁与同步、线程间通信、线程安全与可见性问题的介绍，有助于理解并发编程的基本概念和技术。

# 3. 并发编程高级技术

在并发编程的高级技术中，我们将深入探讨一些更加复杂和关键的概念和工具，以提高并发编程的效率和性能。

#### 3.1 线程池

线程池是一种管理和复用线程的技术，通过线程池可以减少线程创建和销毁的消耗，提高系统的性能和稳定性。在Java中，可以使用`ThreadPoolExecutor`来创建和管理线程池，设置核心线程数、最大线程数、线程存活时间等参数，以适应不同的并发场景。

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

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5); // 创建一个固定大小的线程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int task = i;
            threadPool.execute(() -> {
                System.out.println("Task " + task + " is running.");
            });
        }
        threadPool.shutdown(); // 关闭线程池
    }
}

上面的代码展示了如何使用Java的线程池来执行多个任务，线程池会复用线程来执行任务，提高了效率。

#### 3.2 信号量与并发容器

在并发编程中，信号量和并发容器是常用的工具，用于控制对共享资源的访问和操作。在Java中可以使用`Semaphore`来实现信号量控制，使用`ConcurrentHashMap`等并发容器来实现线程安全的数据操作。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 创建一个信号量，允许两个线程同时访问
        Runnable task = () -> {
            try {
                semaphore.acquire(); // 获取许可
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " is accessing the resource.");
                Thread.sleep(2000); // 模拟操作耗时
                semaphore.release(); // 释放许可
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(task).star