Java并发编程实战：深入理解线程、锁和同步，打造高并发系统

# 1. 并发编程基础**

并发编程是计算机科学中一个重要的概念，它涉及多个线程同时执行，以提高程序的效率和响应能力。在本章中，我们将探讨并发编程的基础知识，包括：

- 并发编程的概念和优势
- 线程和进程之间的区别
- 线程生命周期和状态
- 线程同步和通信机制，如锁和信号量

# 2. Java并发编程核心技术**

**2.1 线程管理**

**2.1.1 线程生命周期**

线程生命周期由以下几个阶段组成：

* **新建（New）：**线程被创建，但尚未启动。
* **就绪（Runnable）：**线程已启动，等待CPU调度执行。
* **运行（Running）：**线程正在执行代码。
* **阻塞（Blocked）：**线程因等待资源（例如I/O操作）而暂停执行。
* **终止（Terminated）：**线程执行完毕或因异常终止。

**代码块：**

public class ThreadLifeCycleDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("Thread is running");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

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

        thread.start();

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

        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

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

**逻辑分析：**

* `ThreadLifeCycleDemo`类创建了一个新的线程，该线程在启动后将打印"Thread is running"并休眠1秒。
* `main`方法打印了线程的初始状态（New），然后启动线程。
* 线程启动后，`main`方法打印了线程的当前状态（Runnable）。
* `main`方法使用`join()`方法等待线程完成执行。
* 线程执行完毕后，`main`方法打印了线程的最终状态（Terminated）。

**2.1.2 线程同步与通信**

线程同步和通信是并发编程中的关键概念。

* **线程同步：**确保多个线程同时访问共享资源时不会发生数据竞争。
* **线程通信：**允许线程之间交换信息和协调操作。

**代码块：**

public class ThreadSyncDemo {

    private static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                synchronized (ThreadSyncDemo.class) {
                    counter++;
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                synchronized (ThreadSyncDemo.class) {
                    counter++;
                }
            }
        });

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

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Counter: " + counter); // 200000
    }
}

**逻辑分析：**

* `ThreadSyncDemo`类创建了两个线程，每个线程都将`counter`变量递增100000次。
* 为了确保线程同步，两个线程都使用`synchronized`块来访问`counter`变量。
* `synchronized`块确保在任何时刻只有一个线程可以访问`counter`变量，从而防止数据竞争。
* `main`方法等待两个线程完成执行，然后打印最终的`counter`值（200000），这证明了线程同步的有效性。

**2.2 锁机制**

锁是一种同步机制，它允许线程独占访问共享资源。

**2.2.1 锁的类型和特性**

Java中提供了多种类型的锁：

* **内置锁（synchronized）：**使用`synchronized`关键字实现，适用于单一Java对象。
* **可重入锁（ReentrantLock）：**允许线程多次获取同一把锁，适用于复杂同步场景。
* **读写锁（ReadWriteLock）：**允许多个线程同时读取共享资源，但只能有一个线程同时写入。

**2.2.2 锁的应用场景**

锁通常用于以下场景：

* 保护共享数据结构，防止数据竞争。
* 控制对临界区的访问，确保一次只有一个线程执行临界区代码。
* 实现线程之间的有序执行。

**代码块：**

public class LockDemo {

    private static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 1 acquired the lock");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synch