Java并发编程实战：多线程、锁机制、并发集合，打造高性能应用

# 1. Java并发编程概述**

并发编程是计算机科学中一个重要的领域，它涉及到开发和管理同时执行多个任务的程序。Java并发编程提供了丰富的API和机制，使开发者能够创建高效、可扩展和可靠的多线程应用程序。

在本章中，我们将介绍Java并发编程的基础知识，包括：

- 并发编程的优势和挑战
- Java并发编程模型
- 线程、锁和同步的概念
- 并发编程中常见的问题，如死锁和竞态条件

# 2. 多线程编程**

**2.1 线程创建与生命周期**

线程是Java并发编程的基础，它代表了执行流的独立单元。创建线程有两种主要方法：

// 方法 1：继承 Thread 类
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行逻辑
    }
}

// 方法 2：实现 Runnable 接口
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行逻辑
    }
}

线程的生命周期包括以下几个阶段：

* **新建（New）：**线程刚被创建，但尚未启动。
* **就绪（Runnable）：**线程已启动，等待执行。
* **运行（Running）：**线程正在执行。
* **阻塞（Blocked）：**线程因等待资源（如锁）而暂停执行。
* **终止（Terminated）：**线程已完成执行或被终止。

**2.2 线程同步与通信**

多线程编程中，线程同步和通信至关重要，以确保并发执行的正确性和一致性。

**2.2.1 锁机制**

锁机制是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问。Java中提供了多种锁类型，包括：

* **synchronized 关键字：**可用于同步方法或代码块。
* **ReentrantLock：**可重入锁，允许同一线程多次获取同一锁。
* **ReadWriteLock：**读写锁，允许多个线程同时读取共享资源，但只能有一个线程写入。

**2.2.2 信号量与屏障**

信号量和屏障是其他类型的同步机制：

* **信号量（Semaphore）：**用于控制对有限资源的访问，限制并发访问的数量。
* **屏障（Barrier）：**用于同步多个线程，确保所有线程都到达特定点后再继续执行。

**2.2.3 并发队列**

并发队列是线程安全的队列，允许多个线程同时访问和操作队列中的元素。Java中提供了以下并发队列实现：

* **ConcurrentLinkedQueue：**基于链表实现的无界并发队列。
* **ArrayBlockingQueue：**基于数组实现的有界并发队列。
* **LinkedBlockingQueue：**基于链表实现的有界并发队列，提供阻塞功能。

**代码示例：**

// 使用 synchronized 关键字同步方法
public synchronized void incrementCounter() {
    counter++;
}

// 使用 ReentrantLock 同步代码块
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void incrementCounter() {
    lock.lock();
    try {
        counter++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

// 使用 ConcurrentLinkedQueue 实现并发队列
private final ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
public void addToQueue(int value) {
    queue.add(value);
}

# 3. 锁机制**

**3.1 锁的种类与特性**

锁是并发编程中用于控制对共享资源访问的机制。Java中提供了多种类型的锁，每种类型都有其独特的特性和适用场景。

* **互斥锁（Mutex）：**互斥锁是最基本的锁类型，它保证同一时刻只有一个线程可以获取锁。一旦一个线程获取了互斥锁，其他线程将被阻塞，直到该线程释放锁。互斥锁适用于保护对共享资源的独占访问。
* **读写锁（ReadWriteLock）：**读写锁允