《Java多线程入阶》课件

多线程入阶Java深入探讨Java中多线程编程的核心概念和高级应用从基础线程管理到并发控制、线程池、以及锁机制等进阶主题,全面提升您的多线程开发能力课程目标掌握Java多线程编程基础学习常用线程同步机制熟悉并发编程工具包通过本课程,学习人Java多线程编程的基础了解Java中的同步机制,如synchronized关学习Java并发工具包中的并发集合类,知识,包括线程的创建、状态、生命周期等.键字、锁对象等,掌握其使用方法.ThreadLocal,线程池等,提高并发编程能力.多线程基础知识回顾Java线程与进程线程状态线程调度线程同步进程是操作系统资源分配的基线程有6种状态:新建、就绪、操作系统采用时间片轮转、优多线程并发执行时,需要使用本单位,而线程是CPU调度和分运行、阻塞、等待和终止状先级和抢占式等策略来调度线同步机制来协调线程间的资源配的基本单位每个进程都可态之间通过各种方法和条件进程,确保公平合理地分配CPU资访问,避免出现数据竞争和不以包含一个或多个线程,线程行转换源一致的情况共享进程的资源线程创建与启动主线程1应用程序的入口点Thread类2线程的基类Runnable接口3实现并发逻辑线程启动4调用start方法在Java中,创建线程有两种主要方式:直接继承Thread类,或者实现Runnable接口使用Thread类可以直接操作线程对象,而使用Runnable接口则需要将其封装到Thread实例中无论选择哪种方式,最终都需要调用start方法来启动线程并执行相应的并发逻辑线程状态及生命周期新建状态1线程通过创建被生成并处于此状态就绪状态2线程具备运行条件但还没被执行运行状态3线程被CPU执行,可以执行指令阻塞状态4线程因某种原因暂时停止运行线程从创建到终止经历了一系列状态变化,包括新建、就绪、运行、阻塞等这些状态变化构成了线程的生命周期理解线程状态及其转换是掌握多线程编程的关键线程同步机制互斥锁管程通过独占访问共享资源来避免资利用条件变量和wait/notify机制来源争用,确保同一时间只有一个线实现线程之间的协调和通信,解决程可以访问临界区生产者-消费者问题信号量读写锁控制访问共享资源的线程数量,实区分读操作和写操作,允许多个读现并发控制通过acquire和线程并发访问,但只允许一个写线release操作来管理资源程独占访问关键字synchronized锁对象同步方法12synchronized关键字用于给一使用synchronized修饰方法可个对象加锁,保证同一时刻只有以实现对整个方法的加锁,确保一个线程访问该对象方法执行时的线程安全同步块锁升级34可以使用synchronized关键字JVM会根据锁的使用情况自动加锁在一个代码块上,提高锁定升级锁的状态,从偏向锁到轻量粒度,减小开销级锁再到重量级锁锁对象及锁升级锁对象在Java中,对象就是一个可用于同步的锁每个对象都有一个内置的锁,可以被一个线程获取和释放锁升级JVM会根据锁的竞争情况自动对锁进行升级,从偏向锁-轻量级锁-重量级锁这可以提高锁的性能监视器模式synchronized关键字使用对象监视器进行同步,确保同一时刻只有一个线程可以执行被同步的代码块关键字volatile保证可见性禁止指令重排序防止缓存失效使用volatile关键字修饰的变量，可以确保volatile关键字可以防止指令重排序优化，volatile关键字可以防止CPU缓存导致的数该变量在多线程环境下的可见性，避免线程确保单个线程内的操作顺序不被改变据不一致性问题，确保变量的值直接从主内间的数据同步问题存中读取和写入等待通知机制/等待通知机制概述1等待/通知机制是Java多线程中重要的协作机制,允许线程之间相互通知和等待它利用了object.wait和object.notify/object.notifyAll方法实现等待线程2等待线程通过调用object.wait方法进入等待状态,直到被其他线程唤醒或超时这种机制可以让线程进入休眠状态,避免占用CPU资源通知线程3通知线程通过调用object.notify或object.notifyAll方法唤醒等待线程前者唤醒一个等待线程,后者唤醒所有等待线程应用ThreadLocal隔离数据简化编程ThreadLocal可以为每个线程提供一个独立的数据副本，避免与传统的参数传递相比，ThreadLocal可以极大地简化代码，线程间数据干扰提高可读性降低耦合度应用场景ThreadLocal可以降低组件之间的耦合度，提高代码的灵活性ThreadLocal常用于Web应用的用户会话管理、日志追踪以及和可维护性事务管理等领域线程池入门什么是线程池线程池是一种管理线程的机制,它预先创建多个线程并将其存储在池中以供后续使用优点线程池可以减少创建和销毁线程的开销,提高系统的响应速度和吞吐量使用场景线程池适用于需要处理大量短时间任务的应用程序,如Web服务器、数据库连接池等实现方式Java标准库提供了Executor框架,可以方便地创建和管理线程池线程池核心参数线程池扩展方式自定义线程工厂拒绝策略优化监控与管理动态调整参数通过实现ThreadFactory接口,当线程池工作队列已满时,可通过实现ThreadPoolExecutor在程序运行过程中,可动态调可自定义线程的命名规则、线自定义拒绝策略,如Discard、的钩子方法,可对线程池的状整线程池的大小、队列长度等程优先级等属性,满足特殊场DiscardOldest或CallerRuns态、任务执行情况进行监控和参数,以应对不同的负载需求景需求等管理线程安全集合ConcurrentHashMap用于遍历和更新数据的高效并发安全集合支持高并发读写操作，能够大幅提高性能CopyOnWriteArrayList写操作时复制数组的线程安全列表适合读多写少的场景，提供弱一致性保证线程安全集合Java提供了多种线程安全的集合类型，如Vector、Hashtable、Collections.synchronizedXXX这些都是通过同步机制实现线程安全ConcurrentHashMap线程安全性能优化ConcurrentHashMap提供了线程ConcurrentHashMap采用分段锁安全的并发访问机制,可以在多线设计,提高了并发性能,相比于同步程环境下安全使用HashMap有显著优势读写分离弹性伸缩ConcurrentHashMap允许多个读ConcurrentHashMap支持动态扩线程并发访问,写线程也可以并发容,可以根据实际数据量自动调整进行,互不干扰容量和结构CopyOnWriteArrayList写时复制无锁读写CopyOnWriteArrayList采用写时复制的方式,在每次修改时都CopyOnWriteArrayList在读操作时不需要加锁,写操作时仅锁会创建一个新的数组副本,从而确保线程安全定数组的局部区域,从而提高了并发性能适用场景内存开销CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景,如缓存、配置CopyOnWriteArrayList会产生额外的内存开销,因为每次修改管理等,可以有效减少并发冲突都需要复制整个数组,适用于内存充足的场景并发工具类并发计时器线程栅栏线程交换并发工具集CountDownLatch用于等待一组CyclicBarrier可用于实现多线程Exchanger提供了一种在两个线ForkJoin框架提供了一种实现分异步操作完成后再执行某个操之间的同步,如等待所有线程到程之间交换数据的机制,可用于治算法的编程模型,可用于实现作Semaphore则用于控制同达某个状态后再继续执行在生产者-消费者模式中同步数高并发的计算密集型任务时访问的线程数据CountDownLatch计数器机制线程协调应用场景CountDownLatch是一种同步辅助类,它允许CountDownLatch可用于确保某个计算在其CountDownLatch适用于需要等待多个线程一个或多个线程等待直到在其他线程中设置需要的所有资源都被初始化之前不会开始完成某个操作的场景,例如启动一个服务需的一组操作完成为止要加载多个组件Semaphore资源访问控制公平与非公平应用场景释放许可证Semaphore用于控制同时访问Semaphore可以设置为公平模Semaphore常用于限制对某些当线程不再需要访问资源时,特定资源的线程数量,通过获式,按照请求顺序分配许可证;资源的访问,如数据库连接池、必须调用release方法释放许取和释放许可证的方式来实现也可以设置为非公平模式,允缓存访问等,确保资源不会被可证,否则可能会造成死锁许优先处理新请求过度消耗CyclicBarrier同步屏障重复使用CyclicBarrier用于协调多个线程CyclicBarrier可以在所有线程达同时到达一个屏障点，阻塞线程到屏障点后重置并重复使用，而直到所有线程都到达屏障点不需要创建新的实例入参灵活CyclicBarrier可以设置屏障点的线程数量，并支持传入一个在所有线程到达时执行的Runnable任务Exchanger定义应用场景Exchanger是一种并发工具类,它允许两个线程在某个同步点交换彼Exchanger可用于实现双方线程之间数据的交换,如生产者-消费者此的对象模式、渡口过河等场景框架ForkJoin分治算法工作窃取任务拆分与合并ForkJoin框架基于分治算法,将大任务分解为ForkJoin框架采用工作窃取算法,动态平衡线ForkJoin框架提供了高度抽象的任务拆分和多个小任务并行执行,提高了并发计算的效程间的负载,充分利用计算资源,提高整体的结果合并机制,简化了并行编程的复杂性,提率和吞吐量执行效率高了开发效率分治算法问题拆分1将复杂问题拆分成可管理的子问题递归解决2对子问题递归应用分治算法合并结果3将子问题的解决方案合并成原问题的解决方案分治算法是一种非常有效的算法设计范式,它通过将问题划分为更小的子问题,递归地解决这些子问题,最后合并结果,从而解决原问题这种思想广泛应用于各种经典算法中,如归并排序、快速排序、Strassen矩阵乘法等任务提交与结果获取任务提交1通过Callable接口提交异步任务Future对象2获取任务执行结果Future API3支持任务取消和结果轮询异步协作4灵活调度任务并获取结果在Java并发编程中,常常需要提交异步任务并获取其执行结果通过Callable接口,我们可以提交复杂的计算任务,并使用Future对象获取任务执行的结果Future API提供了丰富的方法,支持任务的取消和结果的轮询这种异步协作的方式,能够帮助我们更灵活地调度任务并高效获取结果接口Future任务提交使用Callable创建任务,并通过Future接口提交执行结果获取通过Future的get方法获取任务执行的结果任务取消可以使用Future的cancel方法取消正在执行的任务接口Callable功能扩展异步执行Callable接口相比Runnable接口,Callable通常与Future接口配合使可以返回计算结果并抛出异常,为用,实现异步任务执行和结果获取线程提供更多功能扩展错误处理灵活性通过Callable,可以在线程执行过程Callable接口提供了比Runnable更中捕获和处理异常,提高程序的健加灵活的任务定义和执行方式壮性线程中断机制中断标志1每个线程都有一个中断标志位,用于表示是否被中断当调用interrupt方法时,会设置该标志位为true中断检查2在执行任务时,线程应该定期检查自己的中断状态,并做出相应的响应,如退出循环或者抛出异常中断异常3当线程处于阻塞状态如sleep、wait、join时,调用interrupt方法会抛出InterruptedException异常,线程需要捕获并处理该异常方法interrupt中断标志位中断检查12每个线程都有一个中断标志位，在执行任务时，可以通过检查用于表示该线程是否被中断中断标志位来判断线程是否被中断中断响应中断机制34收到中断信号后，线程可以自interrupt方法用于设置中断标行做出响应，例如退出当前操志位，配合中断检查实现线程作的中断机制异常处理最佳实践快速定位异常合理使用try-catch通过打印堆栈信息和日志记录,能catch块只捕获预期的异常,并进行快速定位问题发生的位置和原因针对性的处理,避免过于笼统的异常处理优雅的异常传播异常信息丰富将异常向上传递,让上层调用者有在抛出异常时,提供尽可能详细的机会做出合适的响应,而不是静默异常信息,有助于快速定位和解决吞掉异常问题并发编程最佳实践专注线程安全周密设计规划设计线程安全的代码是并发编程的核制定并发场景的架构设计和线程调度心,要时刻关注共享资源的正确访问和策略非常重要,提前考虑可能出现的问修改题充分测试验证持续学习提升通过单元测试、并发测试等手段,全面保持对并发编程理论和实践的学习,不评估并发程序的正确性和可靠性断优化代码和提高编程能力小结与展望综合应用解决实际问题课程内容全面涵盖Java多线程学习者能够将这些知识应用到实编程的核心知识点,为开发者提际的工程项目中,提高系统性能供了系统的学习和实践机会和并发处理能力未来展望持续学习随着云计算、大数据等技术的快保持对新技术、新框架的学习热速发展,多线程编程必将在更多情,紧跟行业发展趋势,提高自身领域发挥重要作用的竞争力。