药店系统并发控制：Java并发编程在药店系统中的实战应用

# 1. Java并发编程概述与药店系统需求

在现代软件开发中，Java并发编程是构建高效、响应迅速的大型应用程序的关键技术之一。它允许程序在多核处理器上充分利用计算资源，通过并发控制机制来优化任务执行的时间效率。本章首先为读者概述Java并发编程的基本概念，并围绕一个具体的业务场景——药店系统需求，展开讨论并发编程的实际应用。

## 1.1 并发编程的基本概念

并发编程涉及到多线程或多进程的协作，以实现任务的并行处理。在Java中，线程是并发执行的基本单位，可以通过实现Runnable接口或继承Thread类来创建。并发编程使得程序能够同时处理多个请求，提高应用程序的吞吐量和响应速度。

## 1.2 药店系统需求

药店系统通常需要处理大量的并发请求，例如药品库存查询、订单处理和支付操作。这些操作可能会相互影响，如果处理不当，可能会导致数据不一致、库存超卖或支付重复等问题。因此，合理的并发控制机制对于保证药店系统稳定性至关重要。在后续章节中，我们将详细介绍如何在药店系统中应用Java并发编程的技巧和最佳实践。

# 2. Java并发编程基础

### 2.1 线程的创建与管理
#### 2.1.1 实现Runnable接口和继承Thread类

在Java中创建线程主要有两种方式，一种是通过实现`Runnable`接口，另一种是继承`Thread`类。每种方式都有其适用的场景和优缺点，了解它们对于构建可扩展和高效的并发程序至关重要。

实现`Runnable`接口是推荐的方式，因为它允许类继承其他类（Java不支持多继承，但可以实现多个接口），并且更好地体现了面向对象设计的原则。以下是一个使用`Runnable`接口创建线程的简单示例：

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 执行任务的代码
        System.out.println("线程执行中");
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        thread.start();
    }
}

继承`Thread`类创建线程较为直观，但会限制类的继承能力，因此不如`Runnable`接口灵活。以下是一个继承`Thread`类的示例：

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 执行任务的代码
        System.out.println("线程执行中");
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

无论是实现`Runnable`接口还是继承`Thread`类，启动线程的`start()`方法都会导致JVM创建一个新的线程执行`run()`方法中的代码。需要注意的是，直接调用`run()`方法并不会启动一个新的线程，而是会在当前线程中同步执行，这并不是我们使用多线程的目的。

#### 2.1.2 线程状态及其转换

Java中的线程有多种状态，理解这些状态对于理解线程的行为和控制线程的执行流程非常重要。线程在生命周期内会经历以下几种状态：

- **NEW**：线程被创建但尚未启动。
- **RUNNABLE**：线程正在Java虚拟机中执行。
- **BLOCKED**：线程被阻塞，等待监视器锁。
- **WAITING**：线程无限期等待另一个线程执行特定操作。
- **TIMED_WAITING**：线程在指定的时间内等待另一个线程执行操作。
- **TERMINATED**：线程终止执行。

这些状态之间的转换可以用下面的状态转换图来表示：

graph LR
    NEW --> RUNNABLE
    RUNNABLE --> BLOCKED
    BLOCKED --> RUNNABLE
    RUNNABLE --> WAITING
    WAITING --> RUNNABLE
    RUNNABLE --> TIMED_WAITING
    TIMED_WAITING --> RUNNABLE
    RUNNABLE --> TERMINATED

每个状态的转换都有其特定的触发条件。例如，当一个线程尝试进入一个已经被其他线程锁定的同步块时，它将从`RUNNABLE`状态转换到`BLOCKED`状态。当线程调用`wait()`方法时，它会从`RUNNABLE`状态转换到`WAITING`状态，直到另一个线程调用同一对象的`notify()`或`notifyAll()`方法。这样的状态转换机制使得Java的线程管理变得复杂而强大。

### 2.2 同步机制

#### 2.2.1 synchronized关键字

`synchronized`关键字是Java提供的最基本的同步机制，它可以用来控制多个线程对共享资源的并发访问。`synchronized`可以应用于方法或代码块，以实现线程安全。

当`synchronized`应用于方法时，整个方法体将被同步，此时只有一个线程能够进入这个方法。以下是一个简单的示例：

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 代码块
}

如果`synchronized`应用于代码块，可以指定锁的对象。只有持有相应对象锁的线程才能执行该代码块中的代码。例如：

public void someMethod() {
    Object lock = new Object();
    synchronized(lock) {
        // 同步代码块
    }
}

`synchronized`关键字确保了在同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码块，从而防止多个线程在访问共享数据时发生冲突。

#### 2.2.2 Locks和Condition接口

除了`synchronized`关键字之外，`java.util.concurrent.locks`包提供了更加灵活的锁机制，如`Lock`接口。`ReentrantLock`是`Lock`接口的一个实现，提供了比`synchronized`更多的功能，如尝试获取锁的超时时间、中断线程等。

以下是一个使用`ReentrantLock`的示例：

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

public class ReentrantLockExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        lock.lock();
        try {
            // 执行任务的代码
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

`Condition`接口与`Lock`配合使用，提供了对线程间协调的更细粒度控制。`Condition`通常与`Lock`一起使用，因为只有在`Lock`的上下文中才有意义。

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

public class ConditionExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();

    public void await() {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
            // 其他代码
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signal() {
        lock.lock();
        try {
            condition.signal();
            // 其他代码
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

`Condition`使得线程可以在等待某个条件成立时主动释放锁，从而允许其他线程执行。当条件成立时，其他线程可以唤醒等待的线程。

### 2.3 线程池的使用

#### 2.3.1 线程池的概念与优势

线程池是一种在多线程处理中用来减少在创建和销毁线程上的开销，从而提高程序性能的技术。线程池内部维护了一个线程的集合，这些线程可以复用执行任务，而不是为每个任务都创建新的线程。

使用线程池的主要优势包括：

- **降低资源消耗**：通过重用线程减少线程创建和销毁的开销。
- **提高响应速度**：任务到达时可以立即执行，无需等待线程创建。
- **提高线程的可管理性**：线程池可以统一管理、监控和调整。
- **减少并发冲突**：通过限制线程池中线程的数量，可以减少对共享资源的竞争。

Java中通过`Executor`接口和其实现类`ThreadPoolExecutor`等提供了线程池的功能。以下是一个简单的线程池使用示例：

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

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        executorService.execute(() -> System.out.println("Task 1"));
        executorService.execute(() -> System.out.println("Task 2"));
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
    }
}

#### 2.3.2 实际应用中的线程池配置

在实际应用中，合理配置线程池是利用线程池提高性能的关键。配置线程