Java中的多线程编程基础

# 1. 多线程概述

## 1.1 什么是多线程

多线程是指在一个进程内同时运行多个线程，每个线程都可以完成不同的任务。多线程能够让程序同时执行多项任务，提高CPU的利用率。

## 1.2 为什么需要多线程

多线程可以提升程序的响应速度，增加系统的并发能力。在处理高并发和I/O密集的任务时，多线程能够极大地提升程序的性能。

## 1.3 多线程的优势和挑战

优势：提高程序性能，提升系统的并发能力，改善用户体验。
挑战：线程安全、死锁、协作和同步等问题需要谨慎处理。

接下来，我们将深入探讨Java中的多线程编程基础。

# 2. Java中的线程基础

在Java中，线程是一种轻量级的执行单元，它可以并发执行多个任务，实现多任务的效果。本章将介绍Java中的线程基础知识，包括线程的创建和启动、线程的生命周期、线程的优先级和调度。

### 2.1 线程的创建和启动
在Java中，创建线程有两种常见的方式：继承Thread类和实现Runnable接口。

#### 2.1.1 继承Thread类
继承Thread类的方式是创建一个新的子类，该子类继承了Thread类并重写了其run()方法，run()方法中定义了线程的执行逻辑。
下面是一个例子：

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

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

#### 2.1.2 实现Runnable接口
实现Runnable接口的方式是创建一个实现了Runnable接口的类，并实现其run()方法。然后通过Thread类的构造方法将该实现类的实例传入，并调用start()方法启动线程。
下面是一个例子：

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

// 创建并启动线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
}

### 2.2 线程的生命周期
在Java中，线程有多个状态，包括新建、就绪、运行、阻塞和终止等状态。

#### 2.2.1 新建状态
当创建了一个Thread对象后，线程处于新建状态。此时线程没有开始执行，也没有分配到系统资源。

#### 2.2.2 就绪状态
当线程调用start()方法后，线程处于就绪状态。此时线程已经被分配到系统资源，并且等待系统调度执行。

#### 2.2.3 运行状态
当线程从就绪状态被系统调度执行后，线程处于运行状态。此时线程正在执行run()方法中的任务。

#### 2.2.4 阻塞状态
线程在运行状态中，可能会被其他事件打断，进入阻塞状态。比如线程等待IO操作完成、等待其他线程锁释放等情况。

#### 2.2.5 终止状态
线程的run()方法执行结束或者调用了线程的stop()方法后，线程进入终止状态。

### 2.3 线程的优先级和调度
在Java中，线程的优先级可以通过setPriority()方法来设置，优先级用整数表示，范围从1到10。其中1为最低优先级，10为最高优先级，默认优先级为5。

线程调度是指通过操作系统的调度算法来决定线程的执行顺序。Java中，可以通过yield()、join()、sleep()等方法来控制线程的调度。其中yield()方法让出当前线程的执行权限，使得其他具有相同优先级的线程有机会执行；join()方法使一个线程等待另一个线程执行完成；sleep()方法使当前线程暂停指定的时间，进入阻塞状态。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable());
        Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable());

        thread1.setPriority(7);  // 设置线程1的优先级为7
        thread2.setPriority(3);  // 设置线程2的优先级为3

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

通过以上代码，我们创建了两个线程，线程1的优先级为7，线程2的优先级为3。线程调度器会根据线程的优先级来决定线程的执行顺序。

本章介绍了Java中的线程基础知识，包括线程的创建和启动、线程的生命周期、线程的优先级和调度。通过对这些基础知识的了解，我们可以更好地理解和使用多线程编程。在下一章节中，我们将介绍线程同步与互斥的概念与实现方法。

# 3. 线程同步与互斥

在多线程编程中，线程同步和互斥是非常重要的概念，用来确保多个线程能够安全地访问共享资源。本章将介绍线程同步与互斥的概念，以及在Java中实现线程同步与互斥的方法。

#### 3.1 同步和互斥的概念

- **同步**：多个线程以一定的顺序执行，使得它们能够协同工作，共同完成某个任务。在多线程环境中，同步用于避免多个线程同时访问共享资源造成的数据不一致或错误。
- **互斥**：多个线程之间以排他的方式使用共享资源，即某个资源在同一时间内只能被一个线程访问，其他线程需要等待。互斥机制可以通过锁来实现。

#### 3.2 synchronized关键字

在Java中，可以使用synchronized关键字来实现线程同步和互斥。synchronized可以修饰方法或代码块，实现对共享资源的同步访问。

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

上面的示例中，increment()方法使用了synchronized关键字修饰，确保在同一时刻只有一个线程可以调用increment()方法，避免并发访问导致count数据错误。

#### 3.3 Lock和Condition接口

除了使用synchronized关键字外，Java中还提供了Lock和Condition接口来实现更灵活的线程同步和互斥机制。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.