多线程编程基础：Java中的并发编程概念

# 1. 多线程编程基础概述

## 1.1 什么是多线程编程

在计算机科学中，多线程编程指的是在同一程序中同时运行多个独立的执行线索。每个线程都拥有自己的执行堆栈、局部变量以及程序计数器，但是它们共享相同的全局变量和静态变量。多线程编程允许程序同时执行多个任务，提高了程序的并发性和效率，是一种常见的并发编程模型。

## 1.2 多线程编程的优势和应用场景

多线程编程的优势包括：
- 提高程序的响应性和并发性
- 充分利用多核处理器的性能优势
- 实现复杂任务的并行处理
- 分解复杂任务，提高程序的可维护性和可扩展性

应用场景包括：
- 网络编程中的并发处理
- 图形界面程序中的异步操作
- 数据处理中的多线程加速
- 服务器编程中的请求处理

## 1.3 多线程编程与单线程编程的区别

多线程编程与单线程编程的区别在于是否允许程序同时执行多个任务。在单线程编程中，程序按照顺序执行，一次只能执行一个任务；而在多线程编程中，程序可以同时执行多个任务，各自独立运行，互不干扰。多线程编程提高了程序的并发性和效率，但也增加了编程复杂度和调试难度。

# 2. Java中的线程基础

在Java中，线程是一种轻量级的执行单元，可以并发地执行任务。通过使用线程，可以实现程序的并发执行，提高程序的效率和性能。

### 2.1 Java中的线程类

在Java中，线程类主要有两种方式来表示：
- 继承Thread类
- 实现Runnable接口

以下是继承Thread类来创建线程的示例代码：

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello, I am a thread!");
    }

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

以下是实现Runnable接口来创建线程的示例代码：

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello, I am a thread created by implementing Runnable interface!");
    }

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

通过上述代码，可以看到两种方式创建线程的不同之处。

### 2.2 创建线程的方式

在Java中，除了继承Thread类和实现Runnable接口外，还可以通过使用匿名内部类或Lambda表达式来创建线程。以下是使用Lambda表达式创建线程的示例代码：

public class LambdaThread {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = () -> {
            System.out.println("Hello, I am a thread created by Lambda expression!");
        };
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
}

使用Lambda表达式可以简化线程的创建过程，提高代码的可读性。

### 2.3 线程的状态及状态转换

在Java中，线程有以下几种状态：
- 新建状态：当线程对象被创建时
- 运行状态：线程的run()方法被调用时
- 阻塞状态：线程被暂停时
- 等待状态：线程在锁池中等待
- 超时等待状态：线程在锁池中等待一定的时间
- 终止状态：线程执行完毕或者意外终止时

线程的状态转换由JVM自动管理，在特定情况下线程会从一种状态转换为另一种状态。

### 2.4 线程优先级和线程组

在Java中，线程的优先级可以通过setPriority()和getPriority()方法来设置和获取。线程的优先级范围为1~10，默认为5。

线程组可以用来将线程归类管理，方便对一组线程进行操作。可以通过ThreadGroup类来创建线程组，并通过activeCount()、enumerate()等方法来管理线程组中的线程。

以上是Java中线程基础的一些概念和用法，希望能帮助你更好地理解和应用线程编程。

# 3. Java中的并发编程概念

在Java中，多线程编程是一种常见的并发编程方式。通过多线程编程，可以实现程序的并发执行，提高程序的性能和效率。本章将介绍Java中的并发编程概念，包括同步与异步、互斥与非互斥、并发与并行的区别以及Java中的同步机制等内容。

#### 3.1 同步与异步
- **同步（Synchronous）**：指的是所有任务按照顺序依次执行，前一个任务执行完毕后才能执行下一个任务。
- **异步（Asynchronous）**：指的是任务可以并发执行，不需要等待上一个任务执行完毕。

在Java中，可以通过线程的join()方法实现同步，通过Future和CompletableFuture等方式实现异步编程。

// 同步执行任务
Thread t1 = new Thread(() -> {
    // 执行任务
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
    // 执行任务
});

t1.start();
t1.join(); // 等待t1执行完毕
t2.start();
t2.join(); // 等待t2执行完毕

// 异步执行任务
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
Future<Integer> future = executor.submit(() -> {
    // 执行任务
    return 1;
});
// 可以继续执行其他操作
Integer result = future.get(); // 获取任务执行结果

#### 3.2 互斥与非互斥
- **互斥（Mutual Exclusion）**：指的是同一时间只能有一个线程访问共享资源，其他线程需要等待。
- **非互斥（Non-Mutual Exclusion）**：指的是多个线程可以同时访问共享资源，不需要等待。

在Java中，可以通过synchronized关键字和Lock接口实现对共享资源的互斥访问。

public class Counter {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

#### 3