《创建多线程程序》课件

创建多线程程序探索如何在计算机程序中利用并发执行,以提高性能和响应速度了解线程的基本概念、创建和管理线程的方法,以及线程间同步和通信的技术课程内容简介多线程基础知识多线程编程实践线程同步和并发控制课程将介绍什么是多线程,多线程的优势和课程将深入讲解如何创建和管理线程,包括课程将探讨线程同步的必要性,介绍局限性,以及多线程的工作原理Thread类和Runnable接口的使用,以及synchronized关键字和线程的生命周期和状态转换ReentrantLock的使用,以及常见的并发问题及解决方案什么是多线程多线程是操作系统中一种重要的并发执行机制每个线程都拥有自己的执行环境,能独立地运行和控制程序的执行多线程可以提高程序的响应速度,充分利用CPU资源,提升系统的整体性能多线程可以用于处理复杂的任务,如网络请求、数据库操作、图像处理等,让程序更加高效和灵活合理使用多线程可以大大提升应用程序的运行效率为什么需要使用多线程提高系统利用率增强响应能力增强程序灵活性支持异步操作多线程可以充分利用CPU的多线程可以让程序具有更好的多线程可以让程序的各个功能多线程可以让程序具备异步处多核资源,提高系统的并行处交互性和响应性,提高用户体模块更加独立和解耦,提高程理能力,无需等待一个耗时的理能力,从而提高整体的计算验,特别适用于需要处理大量序的可扩展性和可维护性任务完成就可以继续执行其他效率I/O操作的应用程序任务多线程的优势提高效率提高响应性多线程可以充分利用CPU资源,并行处理任务,多线程可以确保关键任务在不影响用户体验的大大提高程序的执行效率情况下及时响应提高可扩展性提高交互性多线程可以支持更大规模的并发处理,满足不断多线程可以确保应用程序保持良好的响应性和增长的业务需求交互性,提升用户体验多线程的局限性资源消耗高线程同步复杂多线程程序需要更多的内存和CPU资源来管理线程,这可能会降低要正确地管理共享资源访问和线程间通信需要谨慎设计,否则可能会整体性能出现死锁和竞争条件等问题可靠性降低可移植性差线程错误往往难以重现和调试,这增加了程序的复杂性和故障风险不同操作系统和平台对多线程的实现方式存在差异,这加大了程序的跨平台适配难度多线程的工作原理资源分配操作系统会为每个线程分配CPU时间片和内存资源这使得线程可以并发执行任务任务切换当一个线程执行完它的时间片后，操作系统会自动切换到另一个线程继续执行共享内存多个线程可以共享同一块内存空间，这使得它们可以相互通信和交换数据上下文切换操作系统需要在线程之间进行上下文切换，保存和恢复每个线程的执行状态多线程的创建继承Thread类1重写run方法实现线程逻辑实现Runnable接口2传入线程对象实现可运行的任务使用Executor框架3利用线程池管理和复用线程使用Future/Callable4获取线程执行结果和异常处理创建多线程程序的4个主要方式包括:继承Thread类、实现Runnable接口、使用Executor框架以及使用Future/Callable每种方式都有自己的特点和适用场景,可根据需求灵活选择类的基本使用Thread1创建Thread对象2启动线程通过构造Thread类的对象来调用Thread对象的start方创建线程,并指定要运行的任务法来启动线程,该方法会将线程添加到操作系统的调度器中线程名称和编号线程优先级34每个线程都有一个名称和编号,线程有10个优先级,可通过可通过getName和getId setPriority方法设置,高优先方法获取级线程会被优先执行接口的基本使用RunnableRunnable接口概述Runnable实例化Runnable的优势Runnable示例以打印字符串为例,展示如何Runnable接口是Java提供创建Runnable实例后,可以Runnable实现了任务与线使用Runnable接口创建和的一种创建多线程的方法它将其传递给Thread构造器来程的解耦,使得任务可以更好启动线程定义了一个run方法,用于封创建线程对象这种方式更灵地复用同时还可以让多个线装线程要执行的任务活,可以实现任务与线程的解程共享同一个Runnable实耦例线程的生命周期新建New1线程在创建后进入新建状态,等待被调度执行在这个状态下,线程尚未开始运行就绪Runnable2当线程获得所需的资源后,如CPU时间片等,就进入就绪状态,等待被线程调度程序选中运行运行Running3线程被线程调度程序选中,获得CPU时间片后进入运行状态,开始执行程序代码阻塞Blocked4线程在等待某些触发条件如I/O操作时,会进入阻塞状态在此状态下,线程不会被执行终止Terminated5线程运行结束或被强制终止后,进入终止状态线程在此状态下不可再次启动线程的状态转换新建1创建一个新的线程对象就绪2等待CPU时间片被调度运行3获取CPU时间片并执行阻塞4等待某个触发条件发生死亡5线程执行结束或被中止线程的生命周期包括新建、就绪、运行、阻塞和死亡等状态线程在这些状态之间进行切换,根据不同的触发条件不断转换理解线程的状态转换机制是掌握多线程编程的关键线程同步的必要性资源争用线程安全12多线程程序中,线程之间可能会为了确保线程安全,需要通过同共享某些资源,如内存、文件等步机制来协调线程对共享资源如果多个线程同时访问这些的访问,避免出现竞争条件资源,可能会导致数据不一致或损坏避免逻辑错误性能优化34不恰当的资源访问可能会导致合理的线程同步可以提高程序程序逻辑出错,比如死锁、饥饿的执行效率,避免资源访问争用等问题,使程序无法正常运行导致的性能瓶颈同步方法和同步代码块同步方法同步代码块将整个方法声明为使用synchronized关键字包裹synchronized,确保方法内部的需要同步的代码块,可以更精细地代码在同一时间只能被一个线程控制同步粒度,提高并发性能访问这是最简单有效的同步方式同步原则同步机制应当尽量细化,仅针对临界区资源进行同步,避免过度同步带来的性能开销使用关键字synchronized同步代码块同步方法锁对象使用synchronized关键字可以同步代码synchronized关键字也可以用于同步方synchronized关键字通过获取对象的内块,确保同一时刻只有一个线程可以执行该法,确保同一时刻只有一个线程可以执行该部锁来实现同步不同的线程如果试图获取代码块这有助于避免多线程并发访问导致方法这是一种更简单的同步方式同一个对象的锁,就会发生阻塞的数据竞争问题使用实现同步ReentrantLock可重入性等待超时ReentrantLock允许同一个线程多次ReentrantLock支持设置等待时间超获得同一个锁，避免了死锁的发生时，当无法立即获得锁时不会一直阻塞公平性条件变量ReentrantLock支持公平锁和非公平ReentrantLock还提供了Condition锁，可以根据需求进行设置接口用于线程间的通信和协作线程并发问题及解决方案资源争用活锁与死锁12多个线程同时访问共享资源可线程之间相互等待可能会导致能会导致数据不一致或丢失活锁或死锁需要谨慎设计线需要通过同步机制来协调对共程间的交互逻辑并使用适当的享资源的访问同步策略性能瓶颈可维护性34过度使用同步可能会降低并发复杂的多线程逻辑增加了代码性能需要寻找合适的并发控的复杂度和难以维护需要采制方式,在保证线程安全的同时用清晰的设计模式和编程实践尽可能提高并行度来提高可读性死锁的产生条件及预防死锁的产生条件预防死锁死锁需要满足4个必要条件:互斥、持有和等待、不可抢占以及循预防死锁的主要策略包括:合理分配资源、使用安全序列获取资源环等待这些条件共同作用导致线程陷入永久等待,无法继续执行、实现资源动态分配和回收、采用死锁检测和恢复机制通过多重措施可以有效避免死锁发生线程池的基本概念灵活性可控性线程池可以根据任务需求动态调线程池可以限制同时执行的任务整线程数量,提高资源利用率数量,避免资源耗尽便利性可伸缩性线程池可以封装线程的创建、管线程池可随需求动态扩展或收缩理和回收,简化编程工作线程数量,适应不同负载场景框架的使用Executor任务提交线程池管理通过Executor框架可以轻松地提交Executor使用线程池管理线程,可根各种并发任务,无需直接管理线程的创据需求动态调整线程数量,提高资源利建和生命周期用率Future模式可扩展性结合Future接口,可以方便地获取任Executor提供了丰富的实现类,可根务的执行结果,简化了异步编程的复杂据实际需求灵活选择合适的执行器度和接口Future CallableFuture接口Callable接口Future和Callable的关系Future接口用于表示异步计算的结果通Callable接口是一个带返回值的任务,相比过Future接口可以检查计算是否完成、获Runnable接口,Callable接口提供了更Future接口通常与Callable接口一起使取计算结果以及取消计算等丰富的功能特性用,Callable接口定义了一个带返回值的任务,而Future接口可以获取Callable任务的计算结果的使用CompletableFutureCompletableFuture简介CompletableFuture的创建CompletableFuture的流式操作CompletableFuture是Java8中引入可以通过创建CompletableFuture对象CompletableFuture提供了丰富的API,的一个强大的异步编程工具,它可以简化异或使用静态方法来创建开发者可以通过链式调用的方式处理异步任步任务的编写和管理,提高代码的可读性和CompletableFuture实例,并指定异步务的结果,实现复杂的业务逻辑可维护性任务的执行逻辑线程安全的数据结构1线程安全的数据结构2Java标准库中的线程安全数据结构为了在多线程环境中正确和有效地操作共享数据,需要使用线如Vector、Hashtable、ConcurrentHashMap等,程安全的数据结构它们提供了内置的同步机制自定义线程安全数据结构线程安全数据结构的性能34需要使用同步关键字或重入锁等方式来确保数据访问的线程合理使用可以提高程序的并发性和响应性能但过度使用同安全性步也可能降低性能共享资源访问控制同步控制原子操作并发容器安全发布通过使用synchronized关使用AtomicInteger、ConcurrentHashMap、通过安全发布机制,如使用键字或ReentrantLock对AtomicLong等原子类型的CopyOnWriteArrayList final修饰共享变量,可以确保关键代码块加锁,可以确保同操作,可以确保共享变量的读等并发容器类提供了线程安全线程间共享资源的可见性和一一时间只有一个线程访问共享取和修改是一个不可分割的过的数据结构,能够在多线程环致性资源这可以避免多线程操作程,避免竞争条件境下安全访问共享资源引起的数据不一致问题原子操作及其应用原子操作原子操作是指不可被中断的一个或一系列操作,要么全部执行成功,要么全部失败并发控制原子操作可以有效避免多线程并发访问共享资源时出现的数据不一致性问题应用场景原子操作广泛应用于计数器、队列、栈等并发数据结构的实现,以及在各种并发算法中并发容器类并发HashMap并发LinkedListConcurrentHashMap是一个CopyOnWriteArrayList是一线程安全的HashMap实现，支个线程安全的ArrayList，通过持高并发访问，提供了高性能的复制整个数组来实现修改操作数据访问并发队列ConcurrentLinkedQueue和BlockingQueue是两种线程安全的队列实现，分别提供无阻塞和阻塞的访问方式线程安全性的度量验证线程安全性的方法对系统进行并发压力测试，观察系统在高并发下是否出现异常行为测量响应时间的稳定性在高并发情况下检查系统响应时间的波动情况，确保响应时间稳定监控资源占用情况监控系统的CPU、内存、网络等资源使用情况，确保资源使用不会出现异常峰值检查日志和错误信息观察系统在高并发下的日志信息和错误信息,分析是否存在并发问题性能优化和最佳实践关注并发控制利用线程池12确保线程安全性,避免死锁和活使用线程池管理和重用线程,提锁等并发问题,优化并发性能高系统吞吐量和响应性能选择合适的数据结构优化资源利用34根据应用场景选择线程安全的合理分配系统资源,如CPU、数据结构,避免不必要的同步开内存等,避免资源浪费和瓶颈销案例分析和总结通过具体的编程实践案例,我们可以更深入地理解多线程编程的核心概念和应用场景这些案例涵盖了线程创建、线程同步、线程池等关键技术,帮助我们全面掌握多线程编程的最佳实践总结经验教训,并思考如何在实际项目中优化多线程性能,对于提高编程能力至关重要课程总结和展望通过学习本课程,我们掌握了多线程编程的核心概念和技术,包括线程的创建、同步、并发控制等关键内容展望未来,随着大数据、物联网等技术的快速发展,多线程编程将在更多应用场景中发挥重要作用,成为提高系统性能和吞吐量的关键手段我们将继续深入研究多线程编程的最佳实践,为未来的软件开发做好准备。