【Java并发编程】：如何在多线程中优雅地进行int到String的转换？

# 1. Java并发编程概述

Java作为广泛使用的编程语言之一，其并发编程模型一直受到开发者的关注。在多核处理器和分布式计算时代，有效的并发编程已经成为提升程序性能的关键。Java的并发编程不仅关注性能的提升，也注重代码的可读性、可维护性和线程安全。

本章旨在提供一个Java并发编程的概览，对接下来章节中要探讨的并发理论与实践进行铺垫。在后续的章节中，我们将深入探讨线程的概念和生命周期、同步机制、并发工具类以及Java并发编程的高级技巧和最佳实践。

要充分利用Java的并发特性，开发者需要理解并发的基本概念，包括线程的创建与管理、同步机制的正确使用、以及并发集合和并行流的应用。理解这些内容对于设计和实现高性能、可伸缩的并发应用程序至关重要。

# 2. 并发编程的基础理论

### 2.1 线程的概念和生命周期

#### 2.1.1 线程的状态转换图解

在Java中，线程具有几种状态：新建（New）、可运行（Runnable）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、超时等待（Timed Waiting）和终止（Terminated）。一个线程的生命周期可以形象地用状态转换图来表示，如下图所示：

graph LR
    A[新建 New] -->|start()| B[可运行 Runnable]
    B -->|yield()| B
    B -->|sleep()| C[超时等待 Timed Waiting]
    B -->|wait()| D[等待 Waiting]
    B -->|join()| B
    C -->|timeout| B
    D -->|notify()| B
    D -->|interrupt()| E[阻塞 Blocked]
    E -->|notify()| B
    B -->|stop()| F[终止 Terminated]

在Java中，线程的生命周期是由操作系统和Java虚拟机共同管理的。当一个线程被创建后，它处于新建状态，调用start()方法后，线程会进入可运行状态。在可运行状态下，线程可以被操作系统调度执行。如果线程因为某些原因（如执行sleep()方法、wait()方法或被其他线程中断）而放弃CPU执行权，则它会进入等待或超时等待状态。等待状态的线程需要被其他线程通过notify()或notifyAll()方法唤醒。阻塞状态通常是由于线程尝试获取一个已经被锁定的监视器锁而进入的状态。

#### 2.1.2 线程的创建和终止

在Java中，线程的创建可以有两种方式：继承Thread类或实现Runnable接口。下面是通过继承Thread类创建线程的一个例子：

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 这里是线程要执行的任务代码
    }
}

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

通过实现Runnable接口创建线程：

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 这里是线程要执行的任务代码
    }
}

public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable r = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(r);
        t.start(); // 启动线程
    }
}

线程的终止通常是由线程自己完成的，也就是当run()方法中的代码执行完毕后，线程自然终止。另外，可以使用interrupt()方法来中断线程，但前提是线程在运行时能够响应中断请求。

### 2.2 同步机制与锁的概念

#### 2.2.1 同步方法和同步块

同步机制是为了防止多个线程同时访问同一资源而导致数据不一致的问题。Java提供了同步方法和同步块来实现线程间的同步。

下面是一个同步方法的例子：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在上面的代码中，increment()方法被声明为同步方法，意味着每次只有一个线程可以执行这个方法。如果多个线程试图同时调用此方法，则其他线程会被阻塞，直到执行该方法的线程完成它的任务。

同步块的使用如下：

public void synchronizedMethod() {
    synchronized(this) {
        // 在这里执行线程安全的操作
    }
}

在同步块中，我们锁定了this对象。同步块允许我们对任意对象进行加锁，从而提供更细粒度的控制。

#### 2.2.2 显式锁（Locks）的使用

Java 5 引入了显式锁，即java.util.concurrent.locks.Lock接口的实现类，它提供了比synchronized关键字更广泛的锁定操作。

以下是ReentrantLock的一个例子：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CounterWithLock {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count = 0;

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，ReentrantLock提供了lock()和unlock()方法。我们需要确保在finally块中释放锁，以防在获取锁后发生异常。

#### 2.2.3 线程间通信的工具

线程间通信的工具包括wait()、notify()和notifyAll()等方法。这些方法都定义在Object类中，因此所有Java对象都可以使用它们。

以下是使用wait()和notify()进行线程间通信的例子：

public class WaitNotifyExample {
    private int count = 0;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count != 0) {
                lock.wait(); // 等待直到其他线程通知
            }
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void decrement() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count != 1) {
                lock.wait(); // 等待直到其他线程通知
            }
            count--;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void change() {
        lock.lock();
        try {
            lock.notifyAll(); // 通知所有正在等待的线程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在这个例子中，increment()和decrement()方法中的线程会在它们等待的条件不成立时调用lock.wait()来进入等待状态。当某个线程改变了条件并需要唤醒其他线程时，它会调用lock.notifyAll()来唤醒所有等待该对象锁的线程。

### 2.3 并发工具类与框架

#### 2.3.1 CountDownLatch和CyclicBarrier的用法

CountDownLatch和CyclicBarrier是Java并发包中用于线程间协作的两个重要的工具类。

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。构造函数接收一个int参数，即需要倒数的次数。当调用await()方法时，线程会阻塞直到count值达到零。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
// 启动3个线程
latch.countDown(); // 调用一次countDown()，count减1
latch.await(); // 等待直到count为0

CyclicBarrier允许多个线程相互等待，直到所有线程都达到某个点，然后才继续执行。与CountDownLatch不同，CyclicBarrier在使用后可以重置，适合于需要重复使用的场景。