Java并发编程概述与基本概念

# 1. Java并发编程简介

## 1.1 什么是并发编程？
并发编程是指在一个程序中同时执行多个任务的编程技术。在并发编程中，多个任务或者线程可以被同时执行，并且这些线程之间可以进行协调与通信。

## 1.2 为什么需要并发编程？
在多核处理器的普及和计算机性能的提升下，并发编程成为了提高程序性能和效率的重要手段。通过并发编程，我们可以充分利用多核处理器的能力，提高程序的响应速度和并行处理能力。

此外，并发编程也能解决一些任务的并行化问题，提高程序的并发性，提升系统的吞吐量。

## 1.3 Java对并发编程的支持
Java在语言层面提供了丰富的并发编程支持，使得开发者可以更加方便地进行并发编程。

Java提供了以下特性来支持并发编程：
- 多线程
- 同步机制：synchronized关键字、Lock接口等
- 并发容器：如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等
- 原子操作类：如AtomicInteger、AtomicLong等
- ThreadLocal类
- 线程池

通过这些特性，开发者可以更好地实现线程的创建和管理、线程的同步与通信、对共享资源的安全访问等任务，实现高效稳定的并发编程。

在Java 5之后，还引入了java.util.concurrent包，提供了更高级别的并发编程工具和类，如线程池、同步器、阻塞队列等，进一步方便了并发编程的实现。

（接下来的章节中会详细介绍Java并发编程的相关概念和具体使用方式。）

# 2. 并发编程的基本概念

### 2.1 线程与进程的概念

在并发编程中，最基本的概念是线程和进程。线程是程序执行中的最小单元，而进程是资源分配的最小单元。

在Java中，每个程序都是一个进程，而在进程内部，可以有多个线程同时执行。每个线程都有自己的执行流程，可以执行一系列指令。

线程与进程的区别在于：
- 进程拥有独立的内存空间，而线程共享进程的内存空间。
- 进程之间相互独立，而线程可以共享同一进程的资源。
- 进程是系统调度的基本单位，而线程是进程内部的执行单位。

### 2.2 共享资源与临界区

在并发编程中，多个线程可能会同时访问同一个资源。这个共享的资源可以是数据、文件、网络连接等。

当多个线程同时访问共享资源时，就可能发生竞态条件（Race Condition），导致数据不一致或程序出现错误。为了避免竞态条件，需要使用同步机制对共享资源进行保护。

临界区是指一段代码，一次只允许一个线程进入执行。通过在临界区周围加上同步机制，可以保证在任意时刻只有一个线程能够访问临界区内的代码，从而避免竞态条件。

### 2.3 同步与互斥

同步是指多个线程按照特定的顺序来执行，可以保证共享资源的正确访问。

互斥是指同一时刻只允许一个线程访问共享资源。通过使用互斥锁（Mutex）或信号量（Semaphore）等同步机制，可以实现对临界区的互斥访问。

在Java中，可以使用synchronized关键字或Lock接口来实现同步与互斥。

### 2.4 并发编程中的常见问题

在并发编程中，常见的问题包括死锁、活锁、饥饿等。

死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放资源，导致程序无法继续执行的情况。

活锁是指线程不断重试某个操作，但始终无法成功，导致程序无法进一步执行。

饥饿是指某个线程在长时间内无法获得所需的资源，导致无法正常执行。

在并发编程中，需要注意这些问题，并采取相应的措施来避免或解决。

以上是并发编程的基本概念，包括线程与进程的概念、共享资源与临界区、同步与互斥以及常见的并发编程问题。在后续章节中，我们将更详细地介绍Java中的线程基础、并发工具类、线程间通信与协作以及并发编程的高级特性。

# 3. Java中的线程基础

在Java中，线程是并发编程的基本单位，它使得我们能够在程序中同时执行多个任务。本章将介绍Java中线程的基础知识，包括线程的创建与启动、生命周期、调度与优先级、以及守护线程与用户线程的概念。

#### 3.1 线程的创建与启动

在Java中，有两种方式来创建线程：一种是继承Thread类并重写run()方法，另一种是实现Runnable接口并实现run()方法。

// 继承Thread类
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("This is a thread created by extending Thread class.");
    }
}

// 实现Runnable接口
class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("This is a thread created by implementing Runnable interface.");
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 通过继承Thread类创建并启动线程
        MyThread thread1 = new MyThread();
        thread1.start();
        // 通过实现Runnable接口创建并启动线程
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread thread2 = new Thread(myRunnable);
        thread2.start();
    }
}

通过调用start()方法启动线程，线程会在后台执行run()方法中的任务。

#### 3.2 线程的生命周期

在Java中，线程的生命周期可以分为五个状态：新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态。具体可以参考下面的代码：

public class ThreadLifecycleDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("This thread is running.");
        });

        System.out.println("The thread is in new state: " + thread.getState());

        thread.start();

        System.out.println("The thread is in runnable state: " + thread.getState());

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("The thread is in dead state: " + thread.getState());
    }
}

在上面的代码中，我们可以通过getState()方法获取线程的状态，从而观察线程的生命周期变化。

#### 3.3 线程的调度与优先级

Java线程的调度由操作系统和JVM共同完成，而线程的优先级用整数表示，范围从1到10，默认优先级是5。较高优先级的线程具有更高的执行几率，但并不意味着一定会先执行。

public class ThreadPriorityDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("Thread 1 is running.");
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("Thread 2 is running.");
        });

        thread1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        thread2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

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

在上面的代码中，我们设置了两个线程的优先级，一个最低，一个最高。在不同系统和JVM中，线程的优先级表现可能会有差异。

#### 3.4 守护线程与用户线程

在Java中，线程可以分为守护线程和用户线程。守护线程是一种在后台提供服务的线程，当所有的用户线程结束时，守护线程会自动销毁。用户线程则不会。

public class DaemonThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread daemonThread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                System.out.println("Daemon Thread is running.");
            }
        });
        daemonThread.setDaemon(true);

        Thread userThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println("User Thread is running.");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        daemonThread.start();
        userThread.start();
    }
}

在上面的代码中，我们创建了一个守护线程和一个用户线程，可以观察守护线程会在用户线程结束后自动销毁的特点。

通过本章的学习，我们对Java中线程的基础知识有了更深入的了解，包括了线程的创建与启动、生命周期、调度与优先级、以及守护线程与用户线程的概念。这为我们更深入地学习并发编程奠定了基础。

# 4. Java中的并发工具类

### 4.1 同步工具类：synchronized关键字

在Java中，使用synchronized关键字来实现同步机制，可以保证一段代码在同一时刻只能被一个线程执行。synchronized关键字可以用于修饰方法和代码块。

#### 4.1.1 同步方法

通过在方法前添加synchronized关键字，可以将整个方法变为临界区，只允许一个线程进入执行。其他线程需要等待当前线程执行完毕后才能继续执行。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // do something
}

#### 4.1.2 同步代码块

除了可以在方法上加锁，还可以使用synchronized关键字来修饰代码块，实现对特定的代码段进行同步。

public void synchronizedBlock() {
    synchronized (this) {
        // do something
    }
}

### 4.2 Lock与Condition

除了使用synchronized关键字外，Java还提供了Lock接口和Condition接口来实现同步。Lock接口提供了更灵活的线程同步方式，不同于synchronized关键字的自动加锁和释放锁，Lock需要手动加锁和释放锁。

Lock lock = new ReentrantLock();

public void synchronizedMethod() {
    try {
        lock.lock();
        // do something
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

Condition接口结合Lock接口可以实现更细粒度的线程同步，通过await()和signal()方法可以实现线程的等待和唤醒。

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

public void awaitMethod() throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
        condition.await();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public void signalMethod() {
    lock.lock();
    try {
        condition.signal();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

### 4.3 并发容器：ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等

在并发编程中，如果多个线程需要同时读写同一个数据结构，就需要使用并发容器来保证线程安全。Java提供了一些并发容器类，如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等。

ConcurrentHashMap是一个线程安全的HashMap实现，可以支持并发的读和写操作。ConcurrentLinkedQueue是一个线程安全的队列，可以支持多线程并发的入队和出队操作。

ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

### 4.4 原子操作类：AtomicInteger、AtomicLong等

在并发编程中，如果多个线程需要对同一个变量进行读写操作，就需要使用原子操作类来保证操作的原子性。Java提供了一些原子操作类，如AtomicInteger、AtomicLong等。

AtomicInteger是一个线程安全的整数类，可以支持并发的自增、自减和CAS操作（Compare and Swap）。AtomicLong是一个线程安全的长整数类，也支持类似的操作。

AtomicInteger count = new AtomicInteger();

int value = count.incrementAndGet();

long newValue = count.updateAndGet(n -> n * 2);

以上是Java中的并发工具类的简要介绍，不同的工具类适用于不同的场景，可以根据实际需求选择合适的工具来实现线程安全。

# 5. 线程间通信与协作

在并发编程中，线程之间的通信与协作是非常重要的，它们可以用于解决多线程环境下的同步与数据共享等问题。本章将介绍Java中线程间通信与协作的相关知识。

#### 5.1 wait()与notify()方法

在Java中，每个对象都拥有一把锁，可以通过该锁实现线程间的通信。wait()方法可以使当前线程进入等待状态，并释放对象的锁；notify()方法可以唤醒等待在该对象上的一个线程。这两个方法通常与synchronized关键字一起使用，用于实现线程间的协作。

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: Acquiring lock...");
                try {
                    System.out.println("Thread 1: Waiting...");
                    lock.wait();
                    System.out.println("Thread 1: Resumed");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 2: Acquiring lock...");
                System.out.println("Thread 2: Performing some task");
                System.out.println("Thread 2: Notifying one thread");
                lock.notify();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

**代码总结：**
- 创建两个线程t1和t2，t1在获取锁后调用wait()方法等待，t2在获取锁后执行任务并调用notify()方法唤醒t1。
- 使用synchronized关键字实现对共享对象的锁定，确保线程间的正确通信与协作。

**结果说明：**
- 程序执行时，t1会在调用wait()方法后进入等待状态，直到t2调用notify()方法唤醒它，t1才能继续执行后续任务。

#### 5.2 生产者与消费者模式

生产者与消费者模式是一种经典的并发编程模式，用于解决生产者与消费者之间的数据交换与同步。在Java中，可以使用wait()、notify()与notifyAll()方法结合synchronized关键字来实现该模式。

import java.util.LinkedList;

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Integer> buffer = new LinkedList<>();
        int maxSize = 5;

        Thread producer = new Thread(() -> {
            while (true) {
                synchronized (buffer) {
                    while (buffer.size() == maxSize) {
                        try {
                            buffer.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    int value = (int) (Math.random() * 100);
                    buffer.add(value);
                    System.out.println("Produced: " + value);
                    buffer.notifyAll();
                }
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() -> {
            while (true) {
                synchronized (buffer) {
                    while (buffer.isEmpty()) {
                        try {
                            buffer.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    int value = buffer.removeFirst();
                    System.out.println("Consumed: " + value);
                    buffer.notifyAll();
                }
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

**代码总结：**
- 创建一个生产者线程和一个消费者线程，它们共享一个缓冲区buffer。
- 使用synchronized关键字对缓冲区进行加锁，生产者负责向缓冲区中添加数据，消费者负责从缓冲区中取出数据。

**结果说明：**
- 程序执行时，生产者会生产数据并将其放入缓冲区，消费者会从缓冲区中取出数据进行消费，通过wait()、notify()与notifyAll()方法实现了生产者与消费者之间的协作。

以上是关于Java中线程间通信与协作的部分内容，包括wait()与notify()方法的使用以及生产者与消费者模式的实现。接下来我们将介绍CountDownLatch与CyclicBarrier等并发工具类的使用。

# 6. Java并发编程的高级特性

在本章中，我们将深入探讨Java并发编程的高级特性，包括线程池的使用、Fork/Join框架、并发编程中的设计模式，以及并发编程实践中的注意事项和最佳实践。

### 6.1 线程池的使用

在Java中，线程池是一种重要的并发编程工具，它通过预先创建一定数量的线程并维护一个线程池，可以有效地管理大量任务的执行，避免频繁地创建和销毁线程带来的开销。线程池提供了一种灵活的方式来控制线程的数量、执行时间、优先级等属性，从而能够更好地管理并发任务的执行。

下面是一个简单的线程池示例代码：

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

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); // 创建固定大小为5的线程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable task = new Task(i);
            executor.execute(task); // 提交任务给线程池执行
        }
        executor.shutdown(); // 关闭线程池
    }

    static class Task implements Runnable {
        private int taskId;

        public Task(int taskId) {
            this.taskId = taskId;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Task " + taskId + " is running on " + Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

代码总结：上面的代码演示了如何使用Java中的线程池ExecutorService和Executors来创建一个固定大小的线程池，并提交任务给线程池执行。通过调用shutdown()方法来关闭线程池，确保不再接受新的任务，并且等待已经提交的任务执行完成。

结果说明：执行以上代码将输出10个任务在5个线程中被执行的结果，每个任务会被分配到其中一个线程中执行。

### 6.2 Fork/Join框架

Java中的Fork/Join框架是一种并行计算框架，它通过将大任务拆分成小任务、并行执行这些小任务，最后将结果合并的方式来提高并发计算的效率。Fork/Join框架通常用于需要对大数据集进行并行处理的场景，比如归并排序、拆分任务等。

下面是一个使用Fork/Join框架实现并行求和的示例代码：

import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

public class ForkJoinExample {
    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        long result = forkJoinPool.invoke(new SumTask(1, 1000));
        System.out.println("Sum result: " + result);
    }

    static class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
        private static final int THRESHOLD = 100;
        private int start;
        private int end;

        public SumTask(int start, int end) {
            this.start = start;
            this.end = end;
        }

        @Override
        protected Long compute() {
            long sum = 0;
            if (end - start <= THRESHOLD) {
                for (int i = start; i <= end; i++) {
                    sum += i;
                }
            } else {
                int mid = (start + end) / 2;
                SumTask leftTask = new SumTask(start, mid);
                SumTask rightTask = new SumTask(mid + 1, end);

                leftTask.fork();
                rightTask.fork();

                sum = leftTask.join() + rightTask.join();
            }
            return sum;
        }
    }
}

代码总结：上面的代码使用ForkJoinPool和RecursiveTask来实现了一个并行求和的示例。SumTask类继承自RecursiveTask，并重写compute()方法来拆分任务并进行并行执行，最后将结果合并得到最终的求和结果。

结果说明：执行以上代码将输出从1到1000的累加和的结果。

### 6.3 并发编程中的设计模式

在并发编程中，设计模式可以帮助我们解决各种并发问题，提高代码的可维护性和可扩展性。常见的并发设计模式包括生产者-消费者模式、读写锁模式、信号量模式、观察者模式等。这些设计模式能够有效地管理线程间的通信、资源共享和并发控制，是并发编程中的重要利器。

### 6.4 并发编程实践中的注意事项和最佳实践

在实际的并发编程中，我们还需要注意一些细节和最佳实践，比如避免死锁、减少锁粒度、合理使用volatile关键字、优化并发容器的使用等。同时，需谨慎处理并发编程中的异常处理、线程中断、性能调优等方面的问题，保证多线程程序的正确性、高效性和可靠性。

以上就是关于Java并发编程的高级特性的内容介绍，希望对您有所帮助！