Java并发编程中的线程间协作与并发控制

# 1. 简介

## 1.1 什么是Java并发编程

Java并发编程是指利用Java编程语言提供的多线程技术，实现多个线程同时执行的编程方式。通过并发编程，可以充分利用多核处理器的优势，提高程序的执行效率和性能。

## 1.2 线程间协作的重要性

在多线程程序中，各个线程之间需要进行协作，以完成复杂的任务和避免竞争条件。线程间的协作包括数据共享、任务分配和互斥操作等，是多线程编程中的重要问题。

## 1.3 并发控制的作用

并发控制是指通过各种手段控制多个线程对共享资源的访问，以确保线程安全和避免数据竞争。通过合理的并发控制手段，可以保证程序的正确性和性能。

# 2. 线程基础知识回顾

在开始讨论并发编程的线程间协作和并发控制之前，我们先回顾一下线程的基础知识。了解线程的创建、生命周期以及同步与互斥的概念，对于理解后续内容将非常有帮助。

### 2.1 线程的创建和启动

在多线程编程中，线程的创建和启动是基础中的基础。通常有两种方式可以创建和启动线程：

1. 继承`Thread`类并重写`run`方法。这是最常见的一种方式，在`run`方法中定义线程要执行的逻辑。然后通过创建该继承类的实例，调用`start`方法来启动线程。

   public class MyThread extends Thread {
       public void run() {
           // 线程要执行的逻辑
       }
   }

   // 创建并启动线程
   MyThread myThread = new MyThread();
   myThread.start();

2. 实现`Runnable`接口并实现其`run`方法。通过这种方式创建的线程可以更好地重用已有的类，并且可以同时通过实现多个接口来实现多重继承。

   public class MyRunnable implements Runnable {
       public void run() {
           // 线程要执行的逻辑
       }
   }

   // 创建并启动线程
   MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
   Thread thread = new Thread(myRunnable);
   thread.start();

### 2.2 线程的生命周期

线程的生命周期包括以下几个状态：

1. 新建（New）：线程被创建但尚未启动。
2. 就绪（Runnable）：线程已经创建并调用了`start`方法，等待资源分配执行的状态。
3. 运行（Running）：线程获得处理器资源开始执行。
4. 阻塞（Blocked）：线程因为某些原因（如等待IO操作完成、等待锁释放）暂时停止执行。
5. 死亡（Dead）：线程执行完成、或者由于异常退出。

线程的状态转换可以通过如下图所示的状态转换图理解。

### 2.3 线程的同步与互斥

在多线程编程中，线程之间的并发访问共享资源可能导致数据不一致的问题。为了解决这个问题，我们需要使用同步手段来确保线程之间的互斥访问。

常用的线程同步手段有以下几种：

- `synchronized`关键字：通过对共享资源的方法或代码块进行加锁来实现线程同步。在一个线程进入同步代码块或方法时，其他试图进入的线程需要等待锁的释放。
- `volatile`关键字：用于保证共享变量的可见性，即一个线程对该变量的修改能够被其他线程立即看到，避免出现脏读和写入问题。
- `Lock`接口：Java并发包中提供的更灵活的锁机制。通过调用`lock`方法来获取锁，执行完操作后再调用`unlock`方法释放锁。
- 信号量（Semaphore）：用于控制对临界资源的并发访问数量。通过维护一个计数器，每次线程访问临界资源时将计数器减1，释放资源时将计数器加1。当计数器为0时，其他试图访问资源的线程将被阻塞。

# 3. 线程间协作的方式

在并发编程中，线程间的协作是至关重要的。线程间的协作方式可以分为传统线程间通信和高级线程间通信两种方式。在本章节中，我们将详细讨论这两种线程间协作的方式。

#### 3.1 传统线程间通信方式

传统线程间通信方式主要包括共享变量和线程的等待和通知。

##### 3.1.1 共享变量

共享变量是线程间进行通信的最简单方式之一。多个线程可以通过读取和修改共享变量来实现信息传递和协作。然而，使用共享变量进行线程间通信时需要特别小心，需要保证共享变量的原子性和可见性，否则会导致线程安全性问题。

public class SharedVariableExample {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

##### 3.1.2 线程的等待和通知

在Java中，线程的等待和通知通过`wait()`和`notify()`或者`notifyAll()`方法来实现。它们通常与`synchronized`关键字一起使用，用于线程间的协作和通信。

public class WaitNotifyExample {
    private Object lock = new Object();
    private boolean flag = false;

    public void waitingMethod() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            while (!flag) {
                lock.wait();
            }
            // 执行其他操作
        }
    }

    public void notifyingMethod() {
        synchronized (l