JRE 7u80多线程编程高级指南：并发控制与同步机制的深度理解

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摘要
关键字
1. JRE 7u80多线程编程概述

1.1 Java多线程编程的重要性
1.2 JRE 7u80中的多线程新特性

2. 多线程基础和并发控制

2.1 Java多线程概念与实现

2.1.1 线程的创建和启动
2.1.2 线程状态与生命周期

2.2 同步基础

2.2.1 同步块和同步方法
2.2.2 volatile关键字的作用与限制

2.3 并发控制机制

2.3.1 synchronized的深入剖析
2.3.2 lock接口与显式锁机制

3. 高级同步策略与实践

3.1 原子变量与CAS操作

3.1.1 原子类的使用与原理
3.1.2 CAS操作的风险与对策

3.2 线程协作工具

3.2.1 wait和notify机制

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摘要
随着计算机科学的发展，多线程编程已成为构建高性能应用的关键技术之一。JRE 7u80对Java多线程提供了更完善的工具和API支持，本文旨在为读者提供一个多线程编程的全面概览。从基础的多线程概念和并发控制机制，到高级同步策略，再到并发工具类的应用与原理，以及最后的问题诊断与解决，本文详细论述了在多线程环境下构建稳定、高效程序所需的关键技术和方法。通过分析具体的案例和最佳实践，本文旨在帮助开发者深入理解多线程编程，并提升在实际开发中的应用能力。
关键字
JRE 7u80；多线程编程；并发控制；同步策略；性能优化；问题诊断
参考资源链接：JRE 7 7u80全平台安装包下载：覆盖Linux、Mac、Windows 32/64位
1. JRE 7u80多线程编程概述
Java多线程编程是构建高效并发应用的核心技术之一。自JRE 7u80版本以来，Java平台对多线程的支持又增加了很多改进和新特性。本章将概述Java多线程编程的基础，重点介绍新版本中的关键特性和最佳实践。
1.1 Java多线程编程的重要性
在多核处理器时代，合理利用多线程能够显著提升应用程序的性能和响应速度。多线程编程允许程序同时执行多个任务，有效分配CPU资源，处理复杂的并发场景。从桌面应用到服务器端服务，再到云平台的微服务，Java多线程技术都在其中扮演着至关重要的角色。
1.2 JRE 7u80中的多线程新特性
JRE 7u80版本对多线程编程的支持有了显著增强。引入了新的并发API，比如ForkJoinPool框架，用于更高效地处理可以并行的任务。同时改进了现有的并发工具，比如增加了try-with-resources语句来自动关闭资源，这对于管理线程中的资源释放至关重要。这些变化对于提升Java并发编程的可读性、性能和安全性产生了深远的影响。
通过本章的学习，读者将对Java多线程编程有一个全面的了解，为进一步深入学习多线程的高级特性和实战应用打下坚实的基础。
2. 多线程基础和并发控制
2.1 Java多线程概念与实现
2.1.1 线程的创建和启动
在Java中，创建和启动一个线程主要有两种方式：实现Runnable接口和继承Thread类。下面是一段简单的代码，展示了如何创建和启动线程：
// 实现Runnable接口方式创建线程Runnable task = new Runnable() { public void run() { System.out.println("通过Runnable接口创建的线程正在运行。"); }};Thread thread1 = new Thread(task);thread1.start();// 继承Thread类方式创建线程class MyThread extends Thread { public void run() { System.out.println("通过继承Thread类创建的线程正在运行。"); }}Thread thread2 = new MyThread();thread2.start();
在Java中，线程的启动是通过调用start()方法来实现的，而不是直接调用run()方法。这是因为run()方法仅定义了线程需要执行的任务代码，而start()方法则会创建新的执行线程，在新的线程中调用run()方法。
2.1.2 线程状态与生命周期
Java线程的状态分为以下几种：

新建（NEW）：线程对象被创建后，但还未调用start()方法。
可运行（RUNNABLE）：调用start()后，线程进入就绪状态，等待CPU调度执行。
阻塞（BLOCKED）：线程被阻塞，等待一个监视器锁。
等待（WAITING）：线程处于无时限等待状态。
超时等待（TIMED_WAITING）：线程处于有时限的等待状态。
终止（TERMINATED）：线程执行完毕或异常终止。

一个线程的状态转换可以用以下流程图表示：
graph LR
NEW --> RUNNABLE
RUNNABLE --> BLOCKED
BLOCKED --> RUNNABLE
RUNNABLE --> WAITING
WAITING --> RUNNABLE
RUNNABLE --> TIMED_WAITING
TIMED_WAITING --> RUNNABLE
RUNNABLE --> TERMINATED

2.2 同步基础
2.2.1 同步块和同步方法
同步机制是Java中用于控制多个线程对共享资源的并发访问的一种手段。同步块是通过synchronized关键字实现的，它可以保证在同一时刻只有一个线程可以执行某个方法或代码块。
下面是一个使用同步块的示例：
public class Counter { private int count = 0; public synchronized void increment() { count++; } public int getCount() { return count; }}
在这个例子中，increment()方法使用synchronized关键字进行了同步。这意味着，如果多个线程尝试执行这个方法，一次只有一个线程可以进入这个方法，其他的线程将被阻塞，直到第一个线程完成。
2.2.2 volatile关键字的作用与限制
volatile关键字是Java提供的一种轻量级的同步机制。当一个变量被声明为volatile时，它会告诉JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它之前都必须从主内存中重新读取，修改后必须立即同步回主内存。
volatile通常用于保证变量的可见性和防止指令重排序，但不能用于实现线程间的互斥。它的一个典型应用是实现状态标志，如下：
public class VolatileExample { private volatile boolean running = false; public void start() { running = true; new Thread(() -> { while (running) { // 任务内容 } }).start(); } public void stop() { running = false; }}
在这个例子中，running变量用于控制线程的运行状态。由于它是volatile声明的，所以一旦stop()方法被调用，所有修改它的线程都会立即看到这一变化。
2.3 并发控制机制
2.3.1 synchronized的深入剖析
synchronized关键字是实现同步的基础，在Java中，synchronized可以用于同步方法、同步代码块和静态同步方法。Java虚拟机（JVM）通过锁机制实现synchronized，确保同一时刻只有一个线程可以访问被保护的代码段。
同步方法的内部使用了隐藏的锁对象，每个对象实例都有自己的锁。同步代码块则需要指定具体的锁对象，这个对象可以是任何Java对象。
synchronized的同步代码块有如下基本形式：
Object lock = new Object();synchronized(lock) { // 临界区，同一时刻只有一个线程可以访问}
在Java 5之后，引入了ReentrantLock作为synchronized的替代方案。ReentrantLock提供了更灵活的锁定操作，包括尝试锁定、可中断的锁定等待等。
2.3.2 lock接口与显式锁机制
java.util.concurrent.locks.Lock接口提供了比synchronized更灵活的锁定机制。ReentrantLock是Lock接口的一个常用实现。
下面是一个使用ReentrantLock的示例：
import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class LockExample { private final Lock lock = new ReentrantLock(); public void performTask() { lock.lock(); try { // 执行任务逻辑 } finally { lock.unlock(); } }}
在这个例子中，lock()方法会尝试获取锁，如果锁已被其他线程获取，则当前线程会被阻塞直到锁可用。unlock()方法用于释放锁。即使在异常情况下，try-finally块也可以确保锁被正确释放。
ReentrantLock还支持公平锁和非公平锁的概念。公平锁会按照请求锁的顺序，先到先得，而非公平锁则不保证顺序。在性能要求较高的场景中，非公平锁可能会提供更好的吞吐量。
在接下来的章节中，我们将继续探讨更高级的同步策略和并发工具类的应用与原理，深入理解Java多线程编程的复杂性和强大能力。
3. 高级同步策略与实践
3.1 原子变量与CAS操作
3.1.1 原子类的使用与原理
Java的并发包中提供了许多原子类，它们可以在没有显式锁的情况下实现线程安全的操作。原子变量类是基于非阻塞算法实现的，最常见的例子是AtomicInteger和AtomicBoolean。
原子类使用Compare-And-Swap（CAS）操作来保证数据的一致性和线程安全。CAS是一个无锁的算法，它通过两个步骤来完成：

比较当前值与预期值是否相同。
如果相同，将当前值更新为新值。

原子操作可以避免传统锁带来的性能开销，因为锁通常会导致线程上下文切换，而CAS操作不会。
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);int newValue = atomicInteger.incrementAndGet(); // 自增操作是原子的
CAS操作依赖于底层硬件的原子指令来保证操作的原子性。在Java中，通常使用Unsafe类来实现CAS操作。如果CAS操作失败，即期望值和实际值不一致，原子类会根据不同的实现，选择重新尝试或者返回失败信息。
3.1.2 CAS操作的风险与对策
尽管CAS操作提供了高效的线程安全保证，但它也存在一些风险。最著名的风险是ABA问题，其次是高竞争条件下的性能问题。
ABA问题是由于在CAS操作中，如果值从A变到B再变回A，CAS会误以为该值没有被修改过。这个问题可以通过引入版本号来解决，即每次操作都改变版本号来避免ABA问题。
public class AtomicMarkableReference<V> { private static class Pair<T> { final T reference; final boolean mark; Pair(T reference, boolean mark) { this.reference = reference; this.mark = mark; } static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) { return new Pair<T>(reference, mark); } } private volatile Pair<V> value; public AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark) { value = Pair.of(initialRef, initialMark); } // 方法省略...}
在上述代码中，Pair类的实例代表了引用和标记的组合，标记用于解决ABA问题。
针对高竞争条件下的性能问题，可以通过分段锁等技术减少竞争，或者使用更精细的锁策略如读写锁（ReadWriteLock）来提高性能。
3.2 线程协作工具
3.2.1 wait和notify机制
wait()、notify()和notifyAll()是Java提供的线程间协作的原语，这些方法定义在Object类中，因此任何Java对象都可以使用它们。

wait()方法会使得当前线程等待，直到其他线程调用同一对象上的notify()或notifyAll()方法。
notify()方法随机唤醒一个正在等待该对象的线程。
notifyAll()方法唤醒所有正在等待该对象的线程。

使用wait()和notify()时，必须在同步块或同步方法中调用，确保等待和通知操作的安全性。
public synchronized void waitForSignal() throws InterruptedException { while (!isNotified()) { wait(); // 等待通知，释放锁 }}public synchronized void sendSignal() { setIsNo