《Java多線程入階》課件

Java多線程入階本課程旨在幫助您掌握J(rèn)ava多線程編程的基礎(chǔ)知識。我們將探討多線程的基本概念、同步機(jī)制和線程安全等重要主題。課程介紹Java語言課程以Java語言為基礎(chǔ)，深入淺出講解多線程編程概念和技術(shù)。多線程編程涵蓋線程基本概念、生命周期、同步機(jī)制、線程池、并發(fā)工具類等內(nèi)容。理論與實(shí)踐理論講解與代碼實(shí)戰(zhàn)相結(jié)合，幫助學(xué)員掌握J(rèn)ava多線程編程的實(shí)戰(zhàn)技巧。進(jìn)程與線程的區(qū)別進(jìn)程獨(dú)立的資源分配單位，擁有自己的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。線程執(zhí)行的最小單位，共享進(jìn)程的資源，但擁有獨(dú)立的執(zhí)行棧和程序計(jì)數(shù)器。區(qū)別進(jìn)程是資源分配的單位，線程是執(zhí)行的單位。進(jìn)程之間獨(dú)立，線程之間共享進(jìn)程資源。線程的生命周期1新建(New)線程被創(chuàng)建但尚未啟動，處于等待狀態(tài)。2可運(yùn)行(Runnable)線程已啟動，正在等待CPU時(shí)間片，隨時(shí)可能執(zhí)行。3運(yùn)行(Running)線程獲得CPU時(shí)間片，正在執(zhí)行任務(wù)。4阻塞(Blocked)線程被阻塞，無法執(zhí)行，等待某種條件或事件。5終止(Terminated)線程執(zhí)行完畢，已退出運(yùn)行。線程的創(chuàng)建和啟動Java中創(chuàng)建和啟動線程主要有兩種方式：繼承Thread類和實(shí)現(xiàn)Runnable接口。兩種方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇哪種方式取決于具體情況。1創(chuàng)建Thread對象實(shí)例化一個(gè)Thread類，傳入Runnable對象2實(shí)現(xiàn)Runnable接口定義一個(gè)類，實(shí)現(xiàn)Runnable接口，并重寫run方法3調(diào)用start()方法啟動線程，使線程進(jìn)入就緒狀態(tài)在實(shí)際開發(fā)中，通常推薦使用Runnable接口的方式，因?yàn)樗`活，也更符合面向?qū)ο蟮木幊趟枷?。例如，一個(gè)類可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口，而只能繼承一個(gè)類。線程的終止正常退出當(dāng)線程執(zhí)行完run()方法后，線程會自動終止。調(diào)用stop()方法該方法已被棄用，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致線程處于不可預(yù)知的狀態(tài)。拋出異常線程在執(zhí)行過程中遇到異常時(shí)會終止，并拋出異常。調(diào)用interrupt()方法此方法會設(shè)置線程的中斷狀態(tài)，但不強(qiáng)制線程終止。線程同步基礎(chǔ)競態(tài)條件多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。例如：多個(gè)線程同時(shí)對同一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加一操作。同步問題線程同步是指協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行順序，保證數(shù)據(jù)的一致性。例如：銀行轉(zhuǎn)賬操作，需要確保賬戶余額的正確性。同步關(guān)鍵字synchronized互斥鎖synchronized關(guān)鍵字用于實(shí)現(xiàn)同步塊，保證共享資源在同一時(shí)間只能被一個(gè)線程訪問。原子操作使用synchronized修飾的方法或代碼塊，確保操作的原子性，防止多個(gè)線程同時(shí)修改共享數(shù)據(jù)。可見性當(dāng)一個(gè)線程修改了共享資源，其他線程可以立即看到修改后的值。有序性確保線程執(zhí)行的順序按照代碼編寫的順序執(zhí)行，防止指令重排序。等待-通知機(jī)制1等待線程進(jìn)入等待狀態(tài)，釋放鎖2通知另一個(gè)線程喚醒等待線程3喚醒等待線程重新競爭鎖等待-通知機(jī)制通過Object類的wait()、notify()和notifyAll()方法實(shí)現(xiàn)，允許線程間相互協(xié)作。wait()方法使當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，并釋放鎖。notify()方法隨機(jī)喚醒一個(gè)等待線程，notifyAll()方法喚醒所有等待線程。在使用這些方法時(shí)，必須在同步塊或同步方法中進(jìn)行，以確保線程安全。Lock接口1同步機(jī)制Lock接口是Java提供的一種更靈活的同步機(jī)制，與synchronized關(guān)鍵字相比，它提供了更細(xì)粒度的控制和擴(kuò)展功能。2互斥鎖Lock接口主要用于實(shí)現(xiàn)互斥鎖，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問共享資源。3公平與非公平Lock接口可以實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖，公平鎖按照線程請求鎖的順序進(jìn)行分配，非公平鎖則不保證順序。4可重入鎖Lock接口可以實(shí)現(xiàn)可重入鎖，允許同一個(gè)線程多次獲取同一把鎖，防止死鎖的發(fā)生。線程池的使用線程池可以有效地管理線程生命周期，提高程序性能。1創(chuàng)建線程池使用Executors類創(chuàng)建不同類型的線程池2執(zhí)行任務(wù)提交任務(wù)到線程池，由線程池中的線程執(zhí)行3管理線程線程池管理線程生命周期，避免頻繁創(chuàng)建和銷毀線程4監(jiān)控性能通過監(jiān)控指標(biāo)了解線程池運(yùn)行狀態(tài)合理配置線程池大小，避免線程數(shù)量過多或不足，從而提高程序性能。線程安全集合類Vector線程安全，同步方法保證數(shù)據(jù)一致性，但性能較低。HashTable同步方法保證數(shù)據(jù)一致性，適用于線程安全場景。ConcurrentHashMap高并發(fā)場景下的首選，使用分段鎖提高性能。CopyOnWriteArrayList讀操作無需加鎖，適用于讀多寫少的場景。原子類原子類概述原子類提供線程安全的操作，無需使用同步機(jī)制。保證操作的原子性，避免競態(tài)條件。常見原子類AtomicInteger：原子整數(shù)，提供對整數(shù)的原子操作。AtomicLong：原子長整數(shù)，提供對長整數(shù)的原子操作。應(yīng)用場景計(jì)數(shù)器、累加器、標(biāo)志位等場景。例如，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)站訪問量，或者控制并發(fā)訪問。并發(fā)阻塞隊(duì)列線程間通信并發(fā)阻塞隊(duì)列允許線程安全地交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線程間通信和數(shù)據(jù)共享。生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式阻塞隊(duì)列是生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的核心，生產(chǎn)者線程添加元素，消費(fèi)者線程取出元素。線程安全并發(fā)阻塞隊(duì)列提供了線程安全的訪問方式，避免了多線程訪問導(dǎo)致的數(shù)據(jù)沖突。阻塞機(jī)制當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，消費(fèi)者線程會阻塞等待，直到有元素添加。隊(duì)列滿時(shí)，生產(chǎn)者線程會阻塞等待，直到有空間。并發(fā)工具類Semaphore和CountDownLatch1SemaphoreSemaphore允許指定數(shù)量的線程同時(shí)訪問共享資源，防止資源過度使用。2CountDownLatchCountDownLatch允許一組線程等待其他線程完成特定任務(wù)，用于同步多個(gè)線程執(zhí)行結(jié)果。3應(yīng)用場景Semaphore可用于限制線程池大小，CountDownLatch用于同步多個(gè)任務(wù)的完成。Callable和FutureCallable接口Callable接口表示一個(gè)可執(zhí)行的任務(wù)，它可以返回一個(gè)結(jié)果。Future接口Future接口表示異步計(jì)算的結(jié)果，它可以獲取計(jì)算結(jié)果，判斷計(jì)算是否完成，或者取消計(jì)算。優(yōu)勢使用Callable和Future可以使多線程程序更易于編寫和管理，并提高程序的性能和效率。Thread局部變量線程隔離ThreadLocal變量在每個(gè)線程中都擁有獨(dú)立的副本，避免多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)，確保線程安全。線程私有數(shù)據(jù)ThreadLocal變量通常用于存儲線程特定的數(shù)據(jù)，例如線程上下文信息、連接池連接等。使用場景ThreadLocal變量適用于需要線程私有數(shù)據(jù)的場景，例如數(shù)據(jù)庫連接、線程池狀態(tài)等。線程中斷中斷請求通過調(diào)用線程的interrupt()方法發(fā)送中斷請求。中斷處理線程通過檢測Terrupted()方法來檢查是否被中斷。中斷響應(yīng)線程可以選擇如何響應(yīng)中斷請求，例如停止當(dāng)前操作或拋出InterruptedException異常。中斷標(biāo)志中斷標(biāo)志只是一種通知機(jī)制，不會直接停止線程。線程上下文切換1保存狀態(tài)CPU將當(dāng)前線程的執(zhí)行狀態(tài)存儲到內(nèi)存中。2加載狀態(tài)CPU加載下一個(gè)線程的執(zhí)行狀態(tài)到內(nèi)存中。3恢復(fù)執(zhí)行CPU開始執(zhí)行新加載的線程。4上下文切換線程上下文切換是昂貴的操作，會影響程序性能。死鎖的預(yù)防和檢測死鎖預(yù)防死鎖預(yù)防通過限制資源訪問，例如使用資源排序規(guī)則或限制持有資源的時(shí)間，來防止死鎖發(fā)生。死鎖檢測死鎖檢測通過定期分析系統(tǒng)資源分配狀態(tài)，找出潛在的死鎖情況并采取措施，例如釋放部分資源或終止部分線程。線程調(diào)度算法時(shí)間片輪轉(zhuǎn)為每個(gè)線程分配時(shí)間片，輪流執(zhí)行。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)線程優(yōu)先級決定執(zhí)行順序。最短作業(yè)優(yōu)先優(yōu)先執(zhí)行時(shí)間最短的線程。輪詢調(diào)度每個(gè)線程輪流獲得CPU執(zhí)行時(shí)間。線程饑餓1資源爭奪當(dāng)線程反復(fù)嘗試獲取資源，但其他線程始終優(yōu)先獲得資源，導(dǎo)致該線程長時(shí)間無法獲得資源，就稱之為線程饑餓。2優(yōu)先級不當(dāng)優(yōu)先級高的線程可能一直獲得資源，導(dǎo)致低優(yōu)先級線程無法獲得資源，出現(xiàn)線程饑餓。3死鎖多個(gè)線程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有線程都無法獲得資源，可能造成線程饑餓。4不公平調(diào)度線程調(diào)度器可能不公平地分配資源，導(dǎo)致某些線程始終無法獲得資源，出現(xiàn)線程饑餓。線程安全設(shè)計(jì)模式單例模式確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供全局訪問點(diǎn)。不可變模式將對象設(shè)計(jì)為不可變，避免多個(gè)線程修改同一個(gè)對象。線程局部變量每個(gè)線程都有自己的變量副本，避免線程之間共享數(shù)據(jù)。并發(fā)編程最佳實(shí)踐線程安全使用線程安全的類和方法，避免數(shù)據(jù)競爭。同步機(jī)制使用鎖、信號量、等待通知機(jī)制等同步機(jī)制保證數(shù)據(jù)一致性。性能優(yōu)化使用線程池、異步處理等技術(shù)提升性能，避免過度競爭資源。代碼審查通過代碼審查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的并發(fā)問題。線程安全的測試方法單元測試使用斷言驗(yàn)證線程安全，例如同步塊和原子操作.工具輔助利用并發(fā)測試工具，例如JMeter和Gatling，模擬高并發(fā)場景，測試性能和穩(wěn)定性.代碼審查代碼審查可以發(fā)現(xiàn)潛在的線程安全問題，例如競爭條件和死鎖.分布式下的并發(fā)控制分布式鎖在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上協(xié)調(diào)訪問共享資源。分布式事務(wù)確保多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的操作要么全部成功，要么全部失敗。分布式隊(duì)列用于在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞消息，例如任務(wù)隊(duì)列。分布式計(jì)數(shù)器用于在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上維護(hù)一個(gè)共享計(jì)數(shù)器。常見并發(fā)問題和解決方案競爭條件多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，例如多個(gè)線程同時(shí)修改同一個(gè)計(jì)數(shù)器。使用同步機(jī)制，例如鎖、原子操作，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問共享資源。死鎖多個(gè)線程相互等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有線程都無法繼續(xù)執(zhí)行，例如兩個(gè)線程同時(shí)需要對方的鎖才能繼續(xù)執(zhí)行。避免死鎖，例如設(shè)置鎖的順序，使用超時(shí)機(jī)制，或者使用更高級的并發(fā)控制機(jī)制。活鎖多個(gè)線程相互競爭，但沒有一個(gè)線程能夠獲得資源，導(dǎo)致所有線程都無法執(zhí)行，例如多個(gè)線程同時(shí)嘗試獲取同一個(gè)鎖，但鎖被其他線程持有。避免活鎖，例如使用隨機(jī)延遲，或者使用更高級的并發(fā)控制機(jī)制。數(shù)據(jù)一致性問題多個(gè)線程同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫或其他共享數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，例如多個(gè)線程同時(shí)更新同一個(gè)數(shù)據(jù)，但更新順序不同。使用事務(wù)或其他數(shù)據(jù)一致性控制機(jī)制，例如樂觀鎖、悲觀鎖，確保數(shù)據(jù)的一致性。Java并發(fā)編程的未來趨勢11.異步編程異