Java多线程编程的基本概念与实践

# 1. Java多线程编程简介

1.1 什么是多线程编程？
多线程编程指的是在一个应用程序中同时执行多个线程，从而提高程序的并发性和效率。每个线程都拥有自己的执行路径，可以独立运行，并且共享应用程序的资源。

1.2 为什么使用多线程？
使用多线程可以充分利用多核处理器的性能，实现并行计算；可以提高程序的响应速度，避免阻塞；可以实现更复杂的应用逻辑，如同时处理多个任务等。

1.3 Java中的多线程支持
Java提供了丰富的多线程支持，通过java.lang.Thread类和java.lang.Runnable接口可以创建和启动线程；通过synchronized关键字和java.util.concurrent包中的工具类可以实现线程的同步和互斥。

1.4 多线程编程的优势与挑战
优势：提高程序性能和响应速度；实现更复杂的逻辑；充分利用多核处理器。挑战：线程安全问题；死锁；资源竞争等。

# 2. Java多线程的基本概念

在本章中，我们将介绍Java多线程编程中的基本概念，包括线程与进程的区别、线程的生命周期、线程的创建与启动、线程的同步与互斥。让我们一起深入了解多线程编程的核心概念。

# 3. 并发与同步

在多线程编程中，**并发**是指多个线程同时操作相同的资源或执行相同的任务，而**同步**则是保证多个线程安全地访问共享资源的机制。本章将深入探讨并发与同步的概念，并介绍在Java中如何实现并发与同步。

#### 3.1 并发编程概念

并发编程是指多个线程同时执行任务的编程方式。它可以提高系统的吞吐量和性能，但也会引入一些问题，如竞态条件（Race Condition）、死锁（Deadlock）等。

#### 3.2 同步方法与同步块

在Java中，可以通过使用`synchronized`关键字来实现方法级别的同步，也可以使用`synchronized`代码块来实现对指定对象的同步控制，以确保线程安全。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步方法，确保线程安全
    // TODO: 实现业务逻辑
}

public void synchronizedBlock(Object lock) {
    synchronized (lock) {
        // 同步块，指定对象进行同步控制
        // TODO: 实现业务逻辑
    }
}

**总结：** 同步方法与同步块可以有效地控制多个线程对共享资源的访问，保证线程安全性。

#### 3.3 原子操作与线程安全

在并发编程中，原子操作是不可再分的个体操作。Java提供了`java.util.concurrent.atomic`包来支持原子操作，如`AtomicInteger`、`AtomicLong`等，保证了线程安全性。

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet();

#### 3.4 Java中的同步工具类

Java提供了许多同步工具类来帮助控制多线程的并发操作，如`CountDownLatch`、`Semaphore`、`CyclicBarrier`等，它们可以有效地管理线程间的协作和通信。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
// 线程等待
latch.await();
// 触发线程继续执行
latch.countDown();

本章介绍了并发编程的概念、同步方法与同步块、原子操作与线程安全，以及Java中的同步工具类的使用。这些知识点将有助于开发者更好地理解并发编程，并编写线程安全的程序。

# 4. 线程通信与协作

在多线程编程中，线程通信与协作是非常重要的概念。线程之间需要相互协作以完成复杂的任务，而线程通信则是实现线程之间数据传输和同步的关键。本章将深入探讨线程通信的基本概念以及几种实现线程协作的方式。

#### 4.1 线程通信的基本概念

线程通信是指多个线程之间通过共享内存进行数据交换和协作的过程。在Java中，线程通信通常基于以下几种机制：

- 共享变量：多个线程通过操作共享变量来实现数据交换和同步。
- wait()、notify()与notifyAll()方法：通过这些方法实现线程之间的等待与唤醒。
- Lock与Condition：使用显示锁和条件对象来实现线程之间的协作。

#### 4.2 wait()、notify()与notifyAll()方法

在Java中，每个对象都有一个wait set和一个notify set，用于线程之间的通信。wait()方法会使当前线程等待，并释放对象锁；而notify()方法则会唤醒等待在对象上的某个线程；notifyAll()方法则会唤醒所有等待在对象上的线程。以下是一个简单的示例：

public class WaitNotifyExample {
    public static void main(String[] args) {
        final Object lock = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 1 is running...");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 1 is resumed!");
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 2 is running...");
                lock.notify();