Java多线程：从入门到进阶

Java多线程从入门到进阶1. 引入为什么需要多线程1.1 单线程的瓶颈假设你要下载三个文件单线程的做法是一个个下载总时间 文件1 文件2 文件3。downloadFile1();// 等待完成downloadFile2();// 再等downloadFile3();// 最后// 总耗时很长如果能让三个下载同时进行总时间 ≈ 最慢的那个文件 —— 这就是多线程的价值。1.2 多线程能做什么提升响应速度UI不会卡死后台任务异步处理充分利用CPU多核CPU真正并行提高资源利用率一个线程等待IO时其他线程可继续工作1.3 需要注意多线程不是完美的它带来线程安全问题多个线程同时修改共享数据性能开销创建、切换线程有成本死锁风险互相等待对方释放资源2. 线程的创建方式Java中有三种常见方式创建线程。2.1 继承Thread类classMyThreadextendsThread{Overridepublicvoidrun(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()执行);}}// 使用MyThreadt1newMyThread();t1.start();// 启动线程不是调用run特点简单直接单继承局限不能再继承其他类2.2 实现Runnable接口classMyRunnableimplementsRunnable{Overridepublicvoidrun(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()执行);}}// 使用Threadt1newThread(newMyRunnable());t1.start();Lambda简化推荐Threadt1newThread(()-{System.out.println(Thread.currentThread().getName()执行);});t1.start();特点避免单继承局限更适合资源共享多个线程执行同一个Runnable实例2.3 实现Callable接口 FutureTask有返回值的线程classMyCallableimplementsCallableInteger{OverridepublicIntegercall()throwsException{Thread.sleep(1000);return100;}}// 使用FutureTaskIntegertasknewFutureTask(newMyCallable());Threadt1newThread(task);t1.start();Integerresulttask.get();// 获取返回值会阻塞直到完成特点可以有返回值可以抛异常2.4 三种方式对比方式是否有返回值可否抛异常是否单继承适用场景继承Thread否否是简单任务Runnable否否否推荐资源共享Callable是是否需要返回结果3. 线程的常用方法方法作用start()启动线程JVM调用run()run()线程执行体不要直接调用sleep(long millis)线程睡眠让出CPU不释放锁join()等待该线程终止yield()礼让让出CPU重新参与竞争setPriority(int)设置优先级1~10默认5interrupt()中断线程设置中断标志currentThread()获取当前执行的线程Threadt1newThread(()-{for(inti0;i5;i){System.out.println(t1: i);Thread.sleep(500);}});Threadt2newThread(()-{try{t1.join();// t2等待t1执行完}catch(InterruptedExceptione){}System.out.println(t2执行);});t1.start();t2.start();4. 线程的生命周期状态线程有6种状态NEW → RUNNABLE → TERMINATED ↙ ↘ BLOCKED WAITING / TIMED_WAITING状态说明NEW创建但未启动还没调用startRUNNABLE可运行状态正在JVM中执行可能等待CPUBLOCKED阻塞等待获取锁synchronizedWAITING无限等待wait()、join()无超时TIMED_WAITING限时等待sleep()、wait(timeout)TERMINATED结束run执行完ThreadtnewThread(()-{});System.out.println(t.getState());// NEWt.start();System.out.println(t.getState());// RUNNABLE可能瞬间变化5. 线程安全问题5.1 问题演示多个线程同时修改共享变量classCounter{privateintcount0;publicvoidincrement(){count;}publicintgetCount(){returncount;}}// 两个线程各加1000次CountercounternewCounter();Threadt1newThread(()-{for(inti0;i1000;i)counter.increment();});Threadt2newThread(()-{for(inti0;i1000;i)counter.increment();});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(counter.getCount());// 期望2000实际可能小于2000原因count不是原子操作读-改-写线程交叉执行导致数据丢失。5.2 解决方案synchronized同步代码块publicvoidincrement(){synchronized(this){// 锁当前对象count;}}同步方法publicsynchronizedvoidincrement(){// 等效于synchronized(this)count;}静态同步方法类锁publicstaticsynchronizedvoidstaticMethod(){// 锁Class对象// ...}5.3 锁的选择方式锁对象影响范围非静态同步方法this同一个对象的多个方法互斥静态同步方法类名.class所有对象的该方法互斥同步代码块自定义更灵活可减小锁粒度6. 线程通信wait/notify生产者-消费者模式经典示例classProduct{privateintcount0;privatefinalintMAX10;publicsynchronizedvoidproduce()throwsInterruptedException{while(countMAX){wait();// 满了等待消费}count;System.out.println(生产库存count);notifyAll();// 唤醒等待的消费者}publicsynchronizedvoidconsume()throwsInterruptedException{while(count0){wait();// 空了等待生产}count--;System.out.println(消费库存count);notifyAll();}}6.1 wait/notify的规则规则说明必须在synchronized块内否则抛IllegalMonitorStateExceptionwait释放锁让出锁进入WAITINGnotify不释放锁唤醒另一个线程但需要当前线程退出同步块后才实际竞争用while循环判断条件防止虚假唤醒6.2 wait和sleep的区别维度waitsleep所属Object的方法Thread的静态方法释放锁是否需要synchronized是否唤醒条件notify/notifyAll时间到或interrupt7. 线程安全的集合集合线程安全方式适用场景Vector/Hashtable内部方法synchronized遗留类不推荐Collections.synchronizedXxx包装成同步简单的同步需求CopyOnWriteArrayList写时复制读多写少ConcurrentHashMap分段锁/CAS高并发MapBlockingQueue阻塞队列生产者-消费者// 推荐ConcurrentHashMapMapString,StringmapnewConcurrentHashMap();// 线程安全的ListListStringlistnewCopyOnWriteArrayList();8. 并发问题的底层根源了解根源说明可见性一个线程修改共享变量其他线程看不到用volatile解决原子性操作不是一步完成用synchronized或Lock有序性指令重排序volatile禁止重排序volatile关键字保证可见性修改立刻写回主存禁止指令重排序不保证原子性如count仍不安全volatilebooleanflagtrue;// 适合用作开关9. 线程池9.1 为什么需要线程池每次创建和销毁线程都有开销new Thread()创建线程 → 内存分配、系统调用线程用完销毁 → 垃圾回收如果有大量短任务反复创建销毁线程会严重影响性能。线程池的优势复用线程减少创建销毁开销控制线程数量防止资源耗尽统一管理任务队列9.2 线程池的核心ThreadPoolExecutorpublicThreadPoolExecutor(intcorePoolSize,// 核心线程数intmaximumPoolSize,// 最大线程数longkeepAliveTime,// 空闲线程存活时间TimeUnitunit,// 时间单位BlockingQueueRunnableworkQueue,// 任务队列ThreadFactorythreadFactory,// 线程工厂RejectedExecutionHandlerhandler// 拒绝策略)执行流程提交任务 → 核心线程未满 → 创建核心线程执行 → 核心线程已满 → 任务放入队列 → 队列已满 → 创建非核心线程执行 → 达到最大线程 → 执行拒绝策略9.3 五种常见的线程池方法说明特点newFixedThreadPool(n)固定线程数核心最大n无超时newCachedThreadPool()缓存线程池核心0最大无限空闲60秒回收newSingleThreadExecutor()单线程池核心最大1保证顺序执行newScheduledThreadPool(n)定时任务池支持延迟和执行周期任务newWorkStealingPool()工作窃取池基于ForkJoinPoolJava 8// 固定大小线程池ExecutorServicepoolExecutors.newFixedThreadPool(5);// 提交任务pool.execute(()-{System.out.println(无返回值任务);});FutureStringfuturepool.submit(()-{return有返回值任务;});// 关闭线程池pool.shutdown();// 不再接受新任务等待已有任务完成pool.shutdownNow();// 尝试停止所有执行中任务9.4 任务队列的选择队列类型特点适用场景ArrayBlockingQueue有界数组结构任务数量可控LinkedBlockingQueue有界/无界链表结构默认无界小心OOMSynchronousQueue不存储任务需立即处理cached线程池使用PriorityBlockingQueue有优先级任务需排序9.5 使用线程池的注意事项易错点说明不推荐Executors.newFixedThreadPool阻塞队列无界可能OOM不推荐Executors.newCachedThreadPool最大线程无限可能创建过多线程忘记关闭线程池程序可能不会退出shutdown和shutdownNow混淆shutdown不再收任务但执行已有shutdownNow尝试中断异常被吞掉submit返回的Future可以捕获异常阿里巴巴规范不要用Executors创建线程池要自定义ThreadPoolExecutor。9.6 完整示例ThreadPoolExecutorpoolnewThreadPoolExecutor(2,5,60L,TimeUnit.SECONDS,newArrayBlockingQueue(100),r-{ThreadtnewThread(r);t.setName(MyPool-System.currentTimeMillis());returnt;},(r,executor)-{System.out.println(任务被拒绝r.toString());});// 提交任务for(inti0;i200;i){finalinttaskIdi;pool.execute(()-{System.out.println(Thread.currentThread().getName()执行任务taskId);});}pool.shutdown();try{if(!pool.awaitTermination(60,TimeUnit.SECONDS)){pool.shutdownNow();}}catch(InterruptedExceptione){pool.shutdownNow();}10. 死锁10.1 死锁示例两个线程互相持有对方需要的锁ObjectlockAnewObject();ObjectlockBnewObject();Threadt1newThread(()-{synchronized(lockA){Thread.sleep(100);synchronized(lockB){}}});Threadt2newThread(()-{synchronized(lockB){Thread.sleep(100);synchronized(lockA){}}});10.2 避免方法按固定顺序获取锁使用tryLock超时放弃减少锁的嵌套11. 易错点总结易错点错误原因正确做法直接调用run()以为会启动线程调用start()静态方法synchronized混用锁对象不同明确锁是类还是实例wait/notify不用while判断虚假唤醒用while循环线程安全问题只想到synchronized简单粗暴考虑volatile、原子类、安全集合死锁排查困难互相等待用jstack分析共享变量不加同步以为不会并发所有共享变量都要同步Executors创建线程池无界队列OOM自定义ThreadPoolExecutor忘记关闭线程池程序不退出finally中shutdown12. 总结对比表概念核心要点创建线程三种方式Thread、Runnable、Callable生命周期NEW → RUNNABLE → TERMINATED中间有阻塞/等待线程安全synchronized、Lock、原子类、安全集合线程通信wait/notify、BlockingQueue并发关键字volatile可见性、禁止重排、synchronized原子性线程池ThreadPoolExecutor核心参数、任务队列死锁循环等待按顺序加锁或tryLock