《Java線程詳解》課件

Java線程詳解Java線程是Java語言中的一個重要概念，它允許程序同時執(zhí)行多個任務(wù)。線程能夠提高程序效率，并實現(xiàn)更復(fù)雜的程序邏輯。什么是線程？程序執(zhí)行的基本單元線程是程序執(zhí)行過程中的一個獨立的執(zhí)行路徑，擁有自己的堆棧和程序計數(shù)器。并發(fā)執(zhí)行多個線程可以同時運行，從而實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，提高程序效率。資源共享同一個進程內(nèi)的多個線程共享進程的內(nèi)存空間和資源，方便數(shù)據(jù)交互。線程的生命周期新建(New)線程對象剛被創(chuàng)建，尚未啟動。可運行(Runnable)線程已經(jīng)啟動，等待操作系統(tǒng)分配時間片執(zhí)行。運行(Running)線程正在執(zhí)行任務(wù)，占用CPU時間片。阻塞(Blocked)線程處于暫停狀態(tài)，等待某些條件滿足才能繼續(xù)執(zhí)行。死亡(Dead)線程執(zhí)行完畢或遇到異常而終止。線程的創(chuàng)建Java線程的創(chuàng)建是多線程編程的基礎(chǔ)。您可以使用兩種主要方式來創(chuàng)建線程：通過繼承Thread類或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口。這兩種方法各有優(yōu)劣，選擇最適合您的具體情況。1創(chuàng)建Thread對象通過Thread類創(chuàng)建線程對象2實現(xiàn)Runnable接口實現(xiàn)Runnable接口并創(chuàng)建線程對象3啟動線程調(diào)用start()方法啟動線程Thread類和Runnable接口Thread類Thread類是Java中用于表示線程的類，直接繼承Thread類可以創(chuàng)建線程。Runnable接口Runnable接口是Java中用于定義線程任務(wù)的接口，通過實現(xiàn)Runnable接口并創(chuàng)建Thread對象可以創(chuàng)建線程。線程的基本操作1啟動線程使用`start()`方法啟動線程，該方法會調(diào)用線程的`run()`方法。2暫停線程可以使用`sleep()`方法使線程暫停一段時間，也可以使用`yield()`方法讓其他線程有機會運行。3停止線程可以使用`interrupt()`方法中斷線程，線程可以通過檢查`isInterrupted()`方法來判斷是否被中斷。4線程等待使用`join()`方法使當(dāng)前線程等待另一個線程完成。線程同步什么是線程同步？線程同步是指在多線程環(huán)境中，多個線程訪問共享資源時，為了保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性而采取的措施。當(dāng)多個線程同時訪問共享資源時，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)競爭和不一致的情況。線程同步可以幫助我們解決這些問題。為什么需要線程同步？在多線程環(huán)境中，多個線程可能同時訪問共享資源，例如變量、文件或數(shù)據(jù)庫。如果沒有同步機制，這些資源可能會被多個線程同時修改，導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂和錯誤。synchronized關(guān)鍵字同步方法synchronized可以修飾方法，保證同一時間只有一個線程執(zhí)行該方法。同步代碼塊synchronized也可以修飾代碼塊，保證同一時間只有一個線程執(zhí)行代碼塊內(nèi)的代碼。鎖對象synchronized關(guān)鍵字使用鎖對象來實現(xiàn)同步，鎖對象可以是任意對象。原子性synchronized關(guān)鍵字保證了代碼的原子性，即代碼塊中的操作要么全部執(zhí)行，要么都不執(zhí)行。鎖對象鎖定機制鎖對象是用于實現(xiàn)線程同步的關(guān)鍵機制。資源保護線程使用鎖對象來確保對共享資源的訪問是互斥的。同步代碼塊鎖對象與synchronized關(guān)鍵字配合使用，控制代碼塊的執(zhí)行順序。線程安全的集合類Vector和StackVector和Stack是Java早期提供的線程安全集合類，它們使用synchronized關(guān)鍵字保證線程安全，但性能較低。ConcurrentHashMapConcurrentHashMap是線程安全的HashMap，它使用鎖分段技術(shù)提高并發(fā)性能，允許多個線程同時訪問不同的段。BlockingQueueBlockingQueue是線程安全的隊列，它提供了阻塞操作，當(dāng)隊列為空或已滿時，線程會被阻塞，直到隊列有可用的元素或空間。CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySetCopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet是線程安全的List和Set，它們在進行修改操作時會創(chuàng)建一個新的副本，避免了并發(fā)修改帶來的問題，但效率較低。本地線程變量本地線程變量每個線程都有自己獨立的存儲空間，用于存儲本地線程變量。每個線程只能訪問自己的本地線程變量，無法訪問其他線程的本地線程變量。本地線程變量通常用于存儲線程特定的數(shù)據(jù)，例如，線程的日志記錄器、連接池等。線程安全性由于每個線程都有獨立的本地線程變量，因此本地線程變量是線程安全的，無需使用同步機制。應(yīng)用場景本地線程變量適用于需要為每個線程存儲特定數(shù)據(jù)的場景，例如，在連接池中，每個線程可以擁有自己的連接，以避免線程之間競爭資源。線程池1創(chuàng)建線程開銷頻繁創(chuàng)建和銷毀線程會導(dǎo)致性能損耗。2線程池管理預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，供任務(wù)使用。3復(fù)用線程減少創(chuàng)建和銷毀線程的次數(shù)，提高效率。4控制線程數(shù)量防止過多的線程占用系統(tǒng)資源。線程池是管理和復(fù)用線程的機制，可以有效降低創(chuàng)建線程的開銷，提高程序的效率。通過預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，線程池能夠根據(jù)需要分配線程給任務(wù)，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程帶來的性能損耗。此外，線程池還能控制線程數(shù)量，防止過多的線程占用系統(tǒng)資源。Executor框架概述Executor框架JavaExecutor框架提供了一種標準機制，用于管理和執(zhí)行線程。它提供了一種更靈活和可擴展的方式來管理線程，與傳統(tǒng)的直接創(chuàng)建和啟動線程相比。Executor框架的核心是Executor接口，它定義了執(zhí)行任務(wù)的抽象方法，并提供了諸如線程池、任務(wù)調(diào)度等功能。FixedThreadPool1固定線程池大小固定，創(chuàng)建后線程數(shù)量不再改變。適合處理固定數(shù)量的任務(wù)，比如服務(wù)器處理連接。2任務(wù)隊列使用無界隊列保存待執(zhí)行的任務(wù)，任務(wù)隊列容量沒有限制。3線程生命周期線程一直存在，即使沒有任務(wù)，線程也不會銷毀。適合長期運行的任務(wù)。4資源管理控制線程數(shù)量，防止資源耗盡，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。CachedThreadPool線程池大小CachedThreadPool可以根據(jù)需要創(chuàng)建新線程，最大線程數(shù)無限制。如果線程空閑超過60秒，則會被回收。應(yīng)用場景適用于執(zhí)行大量短時間任務(wù)，例如處理HTTP請求、文件上傳下載等。它能夠有效地利用系統(tǒng)資源，避免頻繁創(chuàng)建和銷毀線程的開銷。注意事項由于CachedThreadPool線程數(shù)量不受限制，如果任務(wù)過多，會導(dǎo)致系統(tǒng)資源耗盡，甚至引發(fā)內(nèi)存泄漏。建議根據(jù)實際情況限制最大線程數(shù)。ScheduledThreadPool延遲執(zhí)行和周期性執(zhí)行ScheduledThreadPool允許您安排任務(wù)在未來某個時間點執(zhí)行，或者以固定的時間間隔重復(fù)執(zhí)行。例如，您可以使用它來定期執(zhí)行維護任務(wù)或發(fā)送定時通知。線程間通信1線程間通信需求多個線程之間需要共享數(shù)據(jù)和信息，進行協(xié)調(diào)和交互。這涉及到同步機制，以確保數(shù)據(jù)的一致性和線程安全。2wait()和notify()通過這兩個方法，線程可以等待特定條件的發(fā)生或通知其他線程。3Condition條件隊列Condition對象可以創(chuàng)建多個條件隊列，用于更靈活地管理線程的等待和通知。wait()和notify()wait()線程進入等待狀態(tài)，釋放鎖，直到被喚醒。notify()喚醒一個等待在該對象的線程，讓它繼續(xù)執(zhí)行。notifyAll()喚醒所有等待在該對象的線程。Condition條件隊列11.線程通信機制Condition條件隊列是一種線程間通信機制，允許線程在特定條件滿足時被喚醒。22.等待和通知線程可以等待某個條件滿足，而其他線程可以通知等待的線程條件已滿足。33.鎖機制Condition條件隊列依賴于鎖機制，確保線程同步和安全地訪問共享資源。44.await()和signal()線程使用await()方法等待條件，其他線程使用signal()方法通知等待的線程。線程中斷中斷機制中斷機制允許一個線程請求另一個線程停止當(dāng)前的操作，或執(zhí)行其他任務(wù)。中斷標志線程通過一個內(nèi)部中斷標志來記錄是否被中斷。當(dāng)線程被中斷時，該標志會被設(shè)置為true。等待狀態(tài)當(dāng)線程處于等待狀態(tài)時，例如在調(diào)用wait()或sleep()方法時，可以被中斷。中斷處理當(dāng)線程被中斷時，可以捕獲InterruptedException異常，或檢查中斷標志，并進行相應(yīng)處理。InterruptedException當(dāng)線程處于等待、休眠或阻塞狀態(tài)時，調(diào)用interrupt()方法會拋出InterruptedException異常。該異常表明線程正在等待某個操作完成，但被中斷。如果線程沒有捕獲該異常，則會終止線程的執(zhí)行。通過捕獲InterruptedException異常，可以優(yōu)雅地處理線程中斷事件。interrupt()和isInterrupted()interrupt()線程中斷請求，設(shè)置中斷標志位isInterrupted()檢查中斷標志位是否已設(shè)置interrupted()檢查中斷標志位并重置為false線程狀態(tài)檢查線程狀態(tài)線程處于不同狀態(tài)，如運行、阻塞、等待。獲取狀態(tài)可以使用Thread.getState()方法獲取線程的當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)信息狀態(tài)信息可以幫助分析線程執(zhí)行情況和診斷問題。代碼示例通過調(diào)用Thread.getState()方法獲取線程當(dāng)前狀態(tài)，并在控制臺輸出。線程優(yōu)先級高優(yōu)先級線程高優(yōu)先級線程更容易獲得CPU時間片，但不能保證始終運行。低優(yōu)先級線程低優(yōu)先級線程獲得CPU時間片的概率較低，可能被高優(yōu)先級線程搶占。正常優(yōu)先級線程大多數(shù)線程默認情況下使用正常優(yōu)先級，處于中等競爭水平。線程組11.管理線程線程組可用于管理多個線程，以便更方便地控制和監(jiān)控它們。22.設(shè)置權(quán)限可以為線程組設(shè)置權(quán)限，限制某些線程組中的線程訪問某些資源。33.監(jiān)控線程線程組可以提供一些方法來監(jiān)控組內(nèi)線程的狀態(tài)，比如活動線程數(shù)量和線程的運行狀態(tài)。44.線程調(diào)度線程組可以用來調(diào)度線程，比如設(shè)置線程的優(yōu)先級。守護線程后臺運行守護線程是在后臺運行的線程，它們不影響程序的正常退出。示例垃圾回收線程、監(jiān)控線程等都是守護線程。作用守護線程負責(zé)維護系統(tǒng)運行，不直接執(zhí)行用戶任務(wù)。設(shè)置使用`setDaemon(true)`方法可以將線程設(shè)置為守護線程。線程死鎖死鎖的定義線程死鎖是一種常見的線程問題，多個線程因相互等待對方釋放資源而陷入永久阻塞的狀態(tài)。死鎖產(chǎn)生的條件死鎖的產(chǎn)生需要滿足四個必要條件：互斥、占有和等待、不可搶占、循環(huán)等待。避免死鎖的方法11.避免循環(huán)等待每個線程獲取資源的順序保持一致，避免循環(huán)依賴。22.資源獲取順序線程獲取資源時應(yīng)遵循一致的順序，避免不同線程獲取資源的順序不同而導(dǎo)致死鎖。33.設(shè)置超時時間線程在獲取資源時設(shè)置超時時間，避免長時間等待，降低死鎖的可能性。44.使用鎖機制使用可重入鎖或公平鎖等機制，確保線程獲取資源的公平性，減少死鎖發(fā)生的概率。線程性能優(yōu)化減少CPU消耗避免不必要的循環(huán)和遞歸，使用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，優(yōu)化代碼邏輯。降低內(nèi)存占用及時釋放不再使用的對象，避免內(nèi)存泄漏，優(yōu)化數(shù)據(jù)緩存策略。優(yōu)化同步操作合理使用同步機制，減少鎖競爭，優(yōu)化鎖粒度。減少網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)請求頻率和數(shù)據(jù)量，使用異步通信方式。常見線程問題及解決方案死