Java多线程-简概

前言

Java 多线程编程是提高程序性能和响应能力的关键技术，但也涉及到复杂的并发问题。以下是一个结构化的知识总结。

线程与进程

• 进程：独立运行的程序实例，拥有独立的内存空间。
• 线程：进程内的执行单元，共享进程的资源，切换开销更小。
• 区别：进程间隔离，线程共享内存；线程更轻量

创建线程的三种方式

继承 Thread 类

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class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("Thread running");
    }
}
MyThread t = new MyThread();
t.start();

实现 Runnable 接口（推荐，避免单继承限制）

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class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("Runnable running");
    }
}
Thread t = new Thread(new MyRunnable());
t.start();

实现 Callable 接口（可返回结果，配合 FutureTask 使用）

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class MyCallable implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception {
        return "Callable result";
    }
}
FutureTask<String> task = new FutureTask<>(new MyCallable());
new Thread(task).start();
String result = task.get(); // 阻塞获取结果

线程生命周期（状态）

• 新建（New）：线程对象创建后未启动。
• 就绪（Runnable）：调用 start() 后，等待CPU调度。
• 运行（Running）：执行 run() 方法。
• 阻塞（Blocked）：等待锁（如进入同步代码块）。
• 等待（Waiting）：无期限等待，需其他线程唤醒（如 Object.wait()）。
• 超时等待（Timed Waiting）：有限时间等待（如 Thread.sleep(ms)）。
• 终止（Terminated）：run() 执行完毕或异常退出。

线程同步与通信

同步机制

• synchronized 关键字：修饰方法或代码块，确保原子性。
• Lock 接口（如 ReentrantLock）：更灵活，支持尝试锁、公平锁。
• volatile 变量：保证可见性，禁止指令重排序，但不保证原子性。

线程通信

• wait()/notify()/notifyAll()：需在同步块内调用，避免虚假唤醒。
• BlockingQueue：线程安全队列，实现生产者-消费者模式。

线程池（Executor框架）

核心类

• ExecutorService：管理线程池生命周期。
• ThreadPoolExecutor：可配置核心参数（核心线程数、最大线程数、队列、拒绝策略）。

常见线程池

• FixedThreadPool：固定线程数，适用于负载稳定场景。
• CachedThreadPool：线程数弹性伸缩，适合短时异步任务。
• SingleThreadExecutor：单线程顺序执行任务。

拒绝策略

如 AbortPolicy（抛异常）、CallerRunsPolicy（调用者执行任务）。

并发工具类

• ConcurrentHashMap：分段锁实现高并发访问。
• CopyOnWriteArrayList：写时复制，读操作无锁。
• 原子类（如 AtomicInteger）：CAS操作实现无锁线程安全。
• CountDownLatch：等待多个任务完成。
• CyclicBarrier：多线程到达屏障后继续执行。

高级主题

• Fork/Join框架：分治策略，适用于可拆分的计算密集型任务。
• CompletableFuture（Java 8+）：链式异步编程，支持组合多个异步操作。
• ThreadLocal：线程局部变量，需注意内存泄漏（使用后及时调用 remove()）。

避免并发问题

• 死锁预防：避免嵌套锁、按顺序获取锁、设置超时（如 tryLock）。
• 内存可见性：使用 volatile 或同步机制确保修改可见。
• 资源竞争：优先使用线程安全的数据结构（如 ConcurrentHashMap）。

调试与监控

• 线程转储（Thread Dump）：通过 jstack 或可视化工具（如 VisualVM）分析死锁。
• 日志记录：跟踪线程执行流程，定位竞态条件。

后记

在多线程的应用中，尽量做到：

• 减少锁粒度：尽量缩小同步代码块。
• 使用线程池：避免频繁创建/销毁线程。
• 避免共享状态：优先使用不可变对象或线程局部变量。
• 优先使用高层抽象：如 Executor、Concurrent Collections，而非直接操作线程。