理解Java中的并发编程与同步

# 1. 引言

## 1.1 什么是并发编程与同步

并发编程是指程序中包含多个独立的执行线索，这些线索可以同时执行或者交替执行，以便提高程序运行效率。在并发编程中，同步是指多个线程之间协调和互斥地访问共享资源的机制。

## 1.2 并发编程的重要性

在当今的计算机系统中，多核处理器已经成为主流，因此并发编程能充分利用多核处理器的优势，从而提高程序的性能和响应速度。同时，并发编程也是实现高性能、高吞吐量系统的重要手段。

## 并发编程基础

在并发编程中，我们需要了解进程和线程的概念以及并发编程所面临的挑战。

### 2.1 进程和线程的概念

#### 进程（Process）

进程是指计算机中正在运行的一个程序。每个进程都有自己的地址空间和系统资源，如文件句柄、打开的文件等。进程之间是相互独立的，它们不能直接访问其他进程的资源。进程之间的通信需要通过特定的机制，如管道、消息队列、共享内存等。进程有自己的生命周期，包括创建、运行、等待、就绪、挂起和终止等状态。

#### 线程（Thread）

线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。同一个进程中的线程共享同一份地址空间和系统资源，它们可以直接访问其他线程的资源，线程之间的通信比进程之间更加高效。线程有自己的生命周期，包括创建、就绪、运行、阻塞和终止等状态。

### 2.2 并发编程的挑战

在并发编程中，同时运行的多个线程会竞争共享资源，这样可能导致一些问题，如数据不一致、死锁和线程饥饿等。以下是一些并发编程所面临的挑战：

- **原子性（Atomicity）**：多个操作一起执行，要么全部执行成功，要么全部都不执行。
- **可见性（Visibility）**：一个线程对共享变量的修改，在其他线程中能够立即可见。
- **有序性（Ordering）**：程序的执行结果要符合预期的顺序。

### 3. Java中的线程基础

在Java中，线程是一种执行程序的基本单位。它可以同时执行多个任务，使得程序能够并发执行，提高系统的吞吐量和响应性能。本章将介绍Java中线程的基础知识，包括线程的创建与启动、线程的生命周期及状态转换等内容。

#### 3.1 线程的创建与启动

在Java中，创建线程有两种方式：继承Thread类和实现Runnable接口。下面分别介绍这两种方式的使用方法。

##### 3.1.1 继承Thread类

通过继承Thread类，可以创建一个线程类，并重写其run方法来定义线程的执行逻辑。以下是一个简单的示例：

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 线程的执行逻辑
        System.out.println("Hello, I'm a thread!");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        MyThread thread = new MyThread();
        // 启动线程
        thread.start();
    }
}

##### 3.1.2 实现Runnable接口

通过实现Runnable接口，也可以创建一个线程类，并在其run方法中定义线程的执行逻辑。以下是一个使用Runnable接口的示例：

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程的执行逻辑
        System.out.println("Hello, I'm a thread!");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        // 创建线程
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        // 启动线程
        thread.start();
    }
}

#### 3.2 线程的生命周期

线程在运行过程中会经历不同的状态，这些状态构成了线程的生命周期。Java中线程的生命周期包括以下几种状态：

- **新建（New）**：当线程对象被创建后，即进入新建状态。
- **就绪（Runnable）**：当线程调用start方法后，即进入就绪状态。此时，线程等待CPU时间片的分配，一旦获取到时间片，就可以执行run方法中的任务。
- **运行（Running）**：当线程获取到CPU时间片后，即进入运行状态，开始执行run方法中的任务。
- **阻塞（Blocked）**：线程在执行过程中，可能会因为某些原因（如等待某个资源、线程锁等）而暂停执行，此时线程进入阻塞状态。
- **死亡（Terminated）**：线程执行完run方法中的任务后，即进入死亡状态。

#### 3.3 线程的状态转换

线程在运行过程中，会根据不同的条件进行状态转换。下面是线程状态转换的示意图：

- **新建（New）** -> **就绪（Runnable）**：调用start方法时，线程从新建状态转换为就绪状态。
- **就绪（Runnable）** -> **运行（Running）**：线程获得CPU时间片后，从就绪状态转换为运行状态。
- **运行（Running）** -> **阻塞（Blocked）**：线程在执行过程中，可能会因为一些原因而暂停执行，此时线程从运行状态转换为阻塞状态。
- **阻塞（Blocked）** -> **就绪（Runnable）**：当阻塞状态终止后，线程重新进入就绪状态，等待获取CPU时间片。
- **运行（Running）** -> **死亡（Terminated）**：线程执行完run方法中的任务，即进入死亡状态。

### 4. 同步基础

#### 4.1 什么是同步

在并发编程中，多个线程可以同时访问共享的资源，这时就需要对这些资源进行合理的管理和保护，以确保数据的正确性和一致性。而同步机制就是用来解决多线程访问共享资源时可能出现的并发问题。

同步是指多个线程按照一定的顺序访问共享资源，以避免出现数据不一致或异常的情况。当多个线程同时对某个共享资源进行读写操作时，如果没有合理的同步机制，可能会出现数据被错误地修改、读取到脏数据或者产生并发异常等问题。