Java多线程与同步机制

# 1. 引言

### 1.1 什么是多线程

多线程指的是在一个程序中同时运行多个线程，每个线程都可以执行不同的任务。在单核处理器的情况下，多线程是通过CPU在不同线程之间切换来实现的。而在多核处理器中，每个线程可以在不同核上并行执行。多线程可以提高程序的执行效率和资源利用率。

### 1.2 多线程的优势和应用场景

多线程的优势主要包括以下几点：
- 提高程序的响应性：通过将耗时的操作放在后台线程中执行，可以保证程序在执行耗时任务时不会卡住。
- 提高程序的资源利用率：多个线程可以同时执行，充分利用 CPU 的多核心能力。
- 提高程序的执行效率：通过并行执行任务，可以加快任务的完成速度。

多线程的应用场景包括：
- 图形界面程序：保证界面的流畅响应，同时执行后台任务。
- 服务器程序：可以同时处理多个客户端请求。
- 并行计算：通过将任务分解并行执行，加快计算速度。

### 1.3 什么是同步机制

在多线程环境下，多个线程同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致或产生其他问题。同步机制是一种用来解决多线程并发访问共享资源的问题的方法。它通过对共享资源的访问进行限制，确保每次只能有一个线程进行访问，从而避免数据异常和线程安全问题的发生。

同步机制主要包括以下几种方式：
- 使用互斥锁（mutex）：在访问共享资源之前，获取互斥锁，访问结束后释放锁。通过锁的机制，保证同一时间只有一个线程能够访问共享资源。
- 使用信号量（semaphore）：限制同时访问共享资源的线程数量，以控制资源的访问权限。
- 使用条件变量（Condition）：通过等待和通知机制，实现线程的协作和同步。

在Java中，通过synchronized关键字和锁对象，以及volatile关键字等来实现同步机制。在后续的章节中，我们将详细介绍Java多线程的基础知识和同步机制的使用方法。

# 2. Java多线程基础

Java作为一种支持多线程编程的语言，在多线程基础上提供了丰富的API和机制。本章将介绍Java多线程的基础知识，包括线程的创建和启动、线程的状态和生命周期、线程的优先级和守护线程以及线程的通信与协作。

### 2.1 线程的创建和启动

在Java中，创建线程有两种方式：继承Thread类和实现Runnable接口。下面以这两种方式分别进行示例：

#### 2.1.1 继承Thread类

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行的代码逻辑
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
    }
}

通过继承Thread类并重写run()方法，可以定义线程的执行逻辑。然后通过调用start()方法启动线程。

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

#### 2.1.2 实现Runnable接口

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行的代码逻辑
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
    }
}

通过实现Runnable接口，同样需要重写run()方法来定义线程的执行逻辑。然后通过创建Thread对象，将实现了Runnable接口的类作为参数传递，并调用Thread对象的start()方法启动线程。

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

### 2.2 线程的状态和生命周期

Java线程具有以下几种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）和死亡（Terminated）。线程的生命周期涵盖了从线程创建到线程销毁的整个过程。

#### 2.2.1 新建状态（New）

当通过创建Thread对象或者通过线程池创建线程后，线程处于新建状态。此时，线程还不具备执行的条件。

#### 2.2.2 就绪状态（Runnable）

当调用线程的start()方法后，线程进入就绪状态。此时，线程已经具备执行的条件，但还没有被调度器选中执行。

#### 2.2.3 运行状态（Running）

调度器选中就绪状态的线程进行执行，线程进入运行状态。此时，线程正在执行run()方法中的代码。

#### 2.2.4 阻塞状态（Blocked）

在线程运行过程中，可能会发生一些阻塞的情况，如等待同步锁、等待IO操作等。此时，线程进入阻塞状态，暂时释放CPU资源。

#### 2.2.5 死亡状态（Terminated）

当线程执行完run()方法中的代码或者发生异常终止时，线程进入死亡状态，不再具备执行的条件。

### 2.3 线程的优先级和守护线程

Java线程可以设置优先级，用于告诉调度器在同等条件下优先选择哪个线程执行。优先级范围从1到10，默认为5。高优先级的线程对于CPU的选择更加频繁。

可以通过setPriority()方法设置线程的优先级：

Thread thread = new Thread();
thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置最高优先级
thread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY); // 设置最低优先级

Java还提供了守护线程（Daemon Thread）的概念，守护线程是一种在后台运行的线程，当所有非守护线程都执行完毕时，守护线程会自动终止。

可以通过setDaemon()方法将线程设置为守护线程：

Thread thread = new Thread();
thread.setDaemon(true); // 设置为守护线程

### 2.4 线程的通信与协作

在多线程编程中，线程之间常常需要进行通信和协作，以共同完成任务。Java提供了多种方式实现线程之间的通信，如使用共享变量、wait()和notify()、Lock和Condition等。

下面以使用共享变量实现线程的通信为例：

public class CommunicationExample {
    private volatile boolean flag = false; // 共享变量

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    public void printMessage() {
        while (!flag) {
            // 等待flag为true
        }
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "收到通知，开始执行");
    }
}

通过共享变量flag来作为线程之间的通信标志，在一个线程中设置flag为true，然后另一个线程监测flag的状态，并在flag为true时执行相应的逻辑。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CommunicationExample example = new CommunicationExample();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            example.setFlag(true);
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "设置flag为true");
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            example.printMessage();
        });

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

在上述示例中，线程thread1通过设置flag为true，通知线程thread2可以执行相关逻辑。当线程thread1设置flag为true后，线程thread2收到通知并开始执行。

以上是Java多线程基础知识的介绍，通过学习这些基础内容，可以更好地理解和应用Java多线程的相关机制和技巧。

# 3. Java多线程同步机制

在Java多线程编程中，同步机制是非常重要的一部分，它可以解决多个线程访问共享资源时可能出现的并发安全性问题。接下来我们将重点介绍Java中的同步机制。

#### 3.1 synchronized关键字的基本使用

在Java中，可以使用`synchronized`关键字来实现对代码块或方法的同步。通过`synchronized`关键字，可以将一段代码或方法声明为同步代码块或同步方法，以确保在同一时间只有一个线程可以执行该代码块或方法。

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
    public void performTask() {
        synchronized (this) {
            // 同步代码块
            // 访问共享资源
        }
    }
}

#### 3.2 对象锁与类锁

在Java中，每个对象都有一个内置的锁（也称为对象锁或实例锁），当使用`synchronized`关键字修饰非静态方法或代码块时，就是使用该对象的锁来进行同步。另外，可以使用`synchronized`关键字修饰静态方法或指定类作为锁，此时就是使用类的锁来进行同步。

public class SynchronizedExample {
    private static int count = 0;

    public synchronized static void increment() {
        count++;
    }

    public void performTask() {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            // 类锁的同步代码块
            // 访问共享资源
        }
    }
}

#### 3.3 volatile关键字的作用与使用场景

在多线程编程中，`volatile`关键字可以保证可见性和禁止指令重排序，但不能保证原子性。通常情况下，`volatile`关键字用于标记非线程安全的变量，以确保在多线程环境下的可见性。

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void toggleFlag() {
        flag = !flag;
    }
}

#### 3.4 Java中的原子操作与原子类

为了解决并发操作中的原子性问题，Java提供了`java.util.concurrent.atomic`包，其中提供了一系列原子类，可以确保特定操作的原子性，如`AtomicIn