《并发编程与异常管理》课件

并发编程与异常管理本课程将深入探讨并发编程和异常管理，以及它们在现代软件开发中的重要性我们将学习如何利用多线程和并发机制来提高应用程序的效率和性能，并探讨如何有效地处理异常情况，以确保程序的稳定性和健壮性课程导言课程概述

11.本课程将深入探讨并发编程与异常管理的原理和实践，为学员提供扎实的理论基础和丰富的实战经验课程目标

22.旨在帮助学员掌握并发编程的核心概念，熟练运用线程同步、异步编程等技术，并有效处理程序中的异常情况，提升代码的健壮性和可维护性课程内容

33.包括并发编程基础、线程管理、同步机制、异步编程、异常处理、日志系统等模块，涵盖理论讲解、代码示例、实践案例等多种形式学习方法

44.鼓励学员积极参与课堂互动，并结合课后练习和项目实践，将理论知识与实际应用相结合，以达到最佳的学习效果并发编程概述并发编程是指在一个程通过创建和管理多个线在并发编程中，线程之序中同时执行多个任务程，程序可以同时处理间需要进行同步，以保，以提高程序效率和响多个请求，提高系统吞证数据一致性和程序的应速度吐量和响应能力正确性线程的基本概念定义特点线程是进程中的一个执行单元，是操作系统能够进行运算调度的•轻量级线程比进程更轻量级，创建和销毁的开销更小最小单位它可以理解为一条执行路径，负责执行进程中的特定•共享资源同一个进程中的所有线程共享进程的资源，包括任务内存空间、文件等•并发执行多个线程可以在同一个进程中并发执行，提高程序的效率线程的创建和启动创建线程1使用Thread类或Runnable接口创建线程对象Thread类是Java中线程的表示，而Runnable接口定义了线程执行的任务通过实现Runnable接口，可以更灵活地创建和管理线程启动线程2调用线程对象的start方法来启动线程这个方法会将线程放入线程池中等待调度执行当线程被调度执行时，线程会调用run方法，执行线程的任务代码线程运行3线程运行在独立的线程栈中，执行run方法中的代码线程的运行状态会不断改变，从创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态，最终进入结束状态线程的生命周期终止1线程执行完毕或遇到异常运行2线程正在执行任务就绪3线程准备就绪，等待CPU分配时间片新建4线程被创建但未启动阻塞5线程等待某个事件发生，例如IO操作完成线程的生命周期可以概括为五个阶段新建、就绪、运行、阻塞和终止当线程被创建后，它处于新建状态通过调用start方法，线程进入就绪状态，等待操作系统调度一旦线程获得CPU资源，它将进入运行状态，执行任务当线程遇到阻塞情况，例如等待IO操作完成或等待锁，它将进入阻塞状态最后，线程执行完毕或遇到异常，它将进入终止状态，不再可执行线程的中断中断机制线程中断是通过设置中断标志来实现的当一个线程被中断时，它的中断标志会被设置为true，但不会直接停止线程的执行线程需要主动检查中断标志，并根据中断标志的值决定是否停止执行中断方法使用`Thread.interrupt`方法可以中断一个线程这个方法会设置线程的中断标志，但不会直接停止线程的执行中断处理线程可以通过`Thread.interrupted`方法检查自己的中断标志如果中断标志为true，则说明线程已经被中断中断异常当线程被中断时，如果它正在阻塞等待一个资源，则会抛出`InterruptedException`这个异常可以被捕获，以便进行相应的处理线程的同步竞争条件同步机制在多线程环境中，多个线程可能同时访问共享资源，导致数据的不一致性同步机制用于协调多个线程对共享资源的访问，确保数据的一致性常见例如，多个线程同时写入同一个文件，可能会导致文件内容混乱的同步机制包括•互斥锁•信号量•条件变量关键字synchronized作用语法synchronized关键字是Java中用于实现线程同步的一种机制它可synchronized关键字可以用于修饰方法或代码块当修饰方法时，以保证在同一时间只有一个线程可以访问被synchronized修饰的代整个方法都将被同步；当修饰代码块时，只有代码块内部的代码将被码块或方法这对于保护共享资源，防止数据竞争和线程安全问题至同步例如关重要public synchronizedvoid synchronizedMethod{//同步代码块}public voidotherMethod{synchronized this{//同步代码块}}和方法wait notify方法方法wait notifywait方法用于使当前线程进入等待notify方法用于唤醒一个正在等待状态，并释放锁调用该方法的线程同一个对象的锁的线程如果有多个必须持有对象的锁当其他线程调用线程在等待，则只唤醒其中一个调同一个对象的notify或notifyAll用该方法的线程必须持有对象的锁方法时，该线程才会从等待状态中被如果当前没有线程在等待，则该方法唤醒需要注意的是，调用wait方将无任何效果法后，线程会进入等待状态，但不会释放锁，直到调用notify或notifyAll方法才会释放锁方法notifyAllnotifyAll方法用于唤醒所有正在等待同一个对象的锁的线程调用该方法的线程必须持有对象的锁如果当前没有线程在等待，则该方法将无任何效果锁对象内置锁显式锁每个Java对象都与一个内置锁相关联，也称为监视器锁，由通过`ReentrantLock`类实现，提供更细粒度的控制，例如`synchronized`关键字管理•尝试获取锁•判断是否持有锁•设置超时时间•中断等待锁死锁及其避免死锁发生在多个线程相互等待对方释放资死锁会造成系统资源浪费，降低系统性能避免死锁的方法包括源，导致所有线程都无法继续执行的情况，甚至导致系统崩溃•避免资源请求的循环依赖•使用资源加锁的顺序•设置资源请求的超时时间生产者消费者模型生产者生产者负责生产产品，并将产品放入缓冲区当缓冲区已满时，生产者将阻塞，等待消费者消费产品缓冲区缓冲区用于存储生产者生产的产品，并供消费者消费缓冲区的大小有限，当缓冲区已满时，生产者将阻塞，当缓冲区为空时，消费者将阻塞消费者消费者负责从缓冲区消费产品当缓冲区为空时，消费者将阻塞，等待生产者生产产品和接口Callable Future接口接口1Callable2FutureCallable接口是Java中用来表Future接口表示异步计算的示异步任务的接口它定义了结果它定义了几个方法，用一个call方法，该方法返回来获取计算结果、判断计算是一个结果Callable接口可以否完成以及取消计算等用来创建线程，并通过Future接口可以用来接收Future接口来获取线程执行Callable接口的任务执行结果的结果使用和3Callable Future可以使用Callable接口来创建线程，并通过Future接口来获取线程执行的结果这种方式可以实现异步编程，提高程序的效率框架Executor线程池接口接口ExecutorService FutureExecutor框架的核心是线程池它提供了ExecutorService接口定义了执行任务的Future接口表示异步任务的结果通过一种管理线程生命周期的机制，避免了频方法，例如submit和execute它简Future接口，可以获取异步任务的执行状繁创建和销毁线程带来的性能开销线程化了异步任务的执行，并提供了控制线程态，例如isDone和isCancelled，并获池允许重复使用线程，提高了程序效率池的工具，例如shutdown和取异步任务的结果，例如getshutdownNow异步编程CompletableFuture非阻塞式编程CompletableFuture允许您编写非阻塞式代码，这可以提高应用程序的性能和响应能力通过使用CompletableFuture，您可以将耗时的任务委托给其他线程，并在任务完成后接收通知，而不会阻塞主线程链式调用CompletableFuture支持链式调用，使您可以将多个异步操作链接在一起这简化了异步操作的管理，并使代码更易于阅读和维护异常处理CompletableFuture提供了方便的方法来处理异步操作中的异常您可以使用exceptionally方法捕获异常，并使用handle方法处理异常并返回一个新的结果组合操作CompletableFuture支持各种组合操作，例如thenApply、thenCompose、thenAccept等这些操作允许您组合多个异步操作，并根据结果执行不同的操作异常处理概述异常是程序运行时发生的错误事件，会导异常处理机制可以捕获并处理异常，避免通过合理的异常处理，可以使程序更加可致程序非正常终止程序崩溃，提高程序的健壮性靠，并提供更好的用户体验受检异常和非受检异常受检异常1编译器要求必须处理的异常，例如IOException、ClassNotFoundException等在方法声明中必须使用throws关键字声明可能会抛出的受检异常，或者在方法内部使用try-catch块捕获并处理这些异常非受检异常2编译器不要求必须处理的异常，例如NullPointerException、ArithmeticException等通常由程序员的错误导致，可以不进行处理，但最好还是在程序中进行适当的处理，避免程序出现意外崩溃异常的捕获和处理识别异常1当代码运行时发生异常，Java虚拟机会抛出一个异常对象，并将其传递给调用者捕获异常2使用`try-catch`语句块捕获异常对象，并将异常对象传递给`catch`块进行处理处理异常3在`catch`块中，编写代码来处理异常，例如记录异常信息、执行恢复操作等异常捕获和处理是Java程序中至关重要的部分，它允许我们对程序运行时可能出现的错误进行处理，并确保程序的正常运行语句try-catch-finally块try1用于包含可能抛出异常的代码如果代码中没有异常抛出，则程序会正常执行完try块块catch2用于捕获try块中抛出的异常程序会根据异常类型，匹配相应的catch块来处理异常块finally3无论try块中是否抛出异常，finally块中的代码都会被执行它通常用于释放资源，如关闭文件或数据库连接多重捕获与顺序多重捕获捕获顺序在使用try-catch语句时，可以定义多个catch块来处理不同多个catch块的顺序非常重要如果有多个异常类型可以匹配类型的异常当发生异常时，程序会依次检查每个catch块的当前异常，程序会选择第一个匹配的catch块来执行因此，异常类型，如果匹配，则执行该catch块中的代码应该将更具体的异常类型放在更前面，而更通用的异常类型放在更后面自定义异常类定义自定义异常类抛出自定义异常处理自定义异常在Java中，可以通过继承Exception类或其在代码中，可以使用throw关键字抛出自可以使用try-catch块来捕获和处理自定子类来创建自定义异常类自定义异常类可定义异常例如，如果用户输入的数据无效义异常例如，可以使用以下代码捕获并处以封装特定于应用程序的错误信息，并提供，可以使用以下代码抛出理InvalidInputException异常更详细的错误描述例如，可以定义一个名InvalidInputException异常为InvalidInputException的异常类，用try{于处理无效用户输入的情况if input.isEmpty{//代码可能抛出throw newInvalidInputException异常InvalidInputException输入不能}catch InvalidInputException为空;e{}//处理InvalidInputException异常System.out.println无效输入+e.getMessage;}异常链与栈跟踪异常链栈跟踪12异常链允许将一个异常与导致栈跟踪记录了异常发生时的调它的另一个异常相关联，从而用堆栈，显示了导致异常的代提供更详细的错误信息这可码执行路径它提供有关异常以通过在抛出新异常时将原始发生位置和原因的宝贵信息，异常作为参数传递来实现，例有助于调试和分析错误如throw newMyException自定义错误信息,originalException;使用场景3异常链和栈跟踪在调试、错误处理和日志记录中非常有用，它们可以帮助开发人员快速定位问题并进行有效的错误修复异常抛出与声明异常抛出使用`throw`关键字抛出异常这会将异常传递给调用者，以便他们处理或重新抛出异常声明使用`throws`关键字在方法签名中声明可能抛出的异常，以便调用者知道可能发生的异常并进行处理异常处理最佳实践清晰的错误信息避免过度捕获使用自定义异常类合理地记录异常提供有意义的错误信息，帮助只捕获需要处理的特定异常，创建自定义异常类，提供更具在适当的地方记录异常，例如开发者快速定位问题，例如包避免使用过于宽泛的异常类型体的信息和上下文，以便更好在应用程序日志中记录错误信含错误类型、发生位置、相关，例如避免捕获所有异常（地理解和处理异常息，方便日后排查问题数据等Exception）或常见的运行时异常（RuntimeException）日志系统简介日志系统用于记录应用程序运行过程中的日志记录可以帮助跟踪应用程序的执行流通过分析日志，开发者可以发现应用程序事件和信息，方便开发者进行问题排查和程，记录关键事件的发生时间和顺序中的错误、异常、性能瓶颈等问题，并进性能分析行诊断和修复日志级别与配置日志级别日志配置日志级别用于控制哪些日志信息会被记录常见日志级别包括:日志配置用于指定日志的级别、输出格式、目标位置等信息常见的日志配置方法包括:•TRACE:跟踪级别的日志信息，用于记录最详细的信息，例如方法调用和参数•配置文件:使用配置文件来配置日志信息，例如Log4j2的配置文件.•DEBUG:调试级别的日志信息，用于记录调试信息，例如变量的值和程序执行流程•代码配置:使用代码来配置日志信息，例如使用Log4j2的API进行配置.•INFO:信息级别的日志信息，用于记录正常运行的信息，例如程序启动和结束日志配置可以帮助开发者控制日志输出，方便调试和排查问题.•WARN:警告级别的日志信息，用于记录警告信息，例如资源不足或潜在错误•ERROR:错误级别的日志信息，用于记录错误信息，例如程序异常或错误•FATAL:致命级别的日志信息，用于记录致命错误信息，例如程序崩溃或无法继续执行常见日志框架Log4j一个历史悠久、功能强大的日志框架，广泛应用于Java应用程序它提供了灵活的配置选项，支持多种输出方式，并具有良好的性能LogbackLog4j的继承者，在性能和功能上都有改进，提供了更强大的日志管理功能，例如异步日志记录和自动重试机制SLF4J一个日志门面，允许开发者在代码中使用统一的日志API，而无需绑定到具体的日志实现JUL JavaUtil LoggingJava自带的日志框架，简单易用，但功能相对有限介绍Log4j2强大的日志框架性能卓越Log4j2是一个流行的Java日志与Log4j

1.x相比，Log4j2进框架，它提供了丰富的功能，例行了显著的性能改进，可以更高如灵活的配置、多种日志级别、效地处理日志记录，特别是在高自定义日志格式、异步日志记录并发场景下等等易于使用Log4j2提供了易于理解的配置方式，以及方便的API，可以轻松地将日志记录集成到应用程序中的配置与使用Log4j2配置方式Log4j2支持多种配置方式，包括XML配置、JSON配置和YAML配置XML配置是最常用的方式，因为它易于阅读和理解日志级别Log4j2提供了多个日志级别，包括TRACE、DEBUG、INFO、WARN、ERROR和FATAL您可以根据需要设置不同的日志级别，以控制日志输出的详细信息AppenderAppender用于将日志输出到不同的目标，例如控制台、文件、数据库或远程服务器Log4j2提供了各种Appender类型，您可以根据需要选择合适的AppenderLoggerLogger用于记录日志信息您可以通过名称来引用Logger，并设置其日志级别和AppenderLog4j2支持层次结构化的Logger，可以方便地管理不同模块的日志输出布局布局用于控制日志信息的格式Log4j2提供了多种布局类型，您可以根据需要选择合适的布局，以输出符合特定格式的日志信息异常与日志的结合异常信息记录异常堆栈跟踪异常上下文信息将异常信息记录到日志中，可以帮助开发通过记录异常堆栈跟踪，可以清晰地了解除了异常本身的信息，还可以记录一些与者快速定位和解决问题，是进行错误分析异常发生的代码位置和调用链，方便开发异常相关的上下文信息，例如时间戳、线和性能调优的重要依据者快速定位问题所在程信息、系统环境等，以便于更全面的分析问题监控与报警实时监控报警机制可视化展示通过监控系统实时收集当监控指标超过预设阈将监控数据以图表、仪系统运行状态数据，包值时，触发报警通知，表盘等形式直观地展现括性能指标、资源使用及时提醒开发人员进行出来，方便分析问题率、错误日志等处理应用场景分析高并发系统多任务处理多线程交互例如电商网站、游戏服务器、金融交易例如图片处理、视频编码、数据分析等例如文件读写、网络通信等操作，可以系统等，需要处理大量的用户请求，并任务，可以将任务拆分成多个子任务，通过多线程来提高效率例如，一个线发编程可以提高系统吞吐量和响应速度并行执行，提高处理效率并发编程可程负责读取数据，另一个线程负责写入通过使用线程池、异步处理等技术，以帮助我们更好地管理和调度这些子任数据，可以提高效率另外，多线程还可以有效地利用系统资源，提升性能务，提高整体效率可以提高用户体验，例如在后台下载文件的同时，用户可以在前台继续浏览网页并发诊断与修复bug日志分析利用日志系统记录程序运行过程中的关键信息，包括线程状态、操作时间、异常堆栈等，有助于定位并发问题发生的时机和原因调试工具使用调试工具，例如IDE的调试器或专门的并发调试工具，可以单步执行代码，观察线程执行过程，帮助分析数据竞争、死锁等问题代码审查对并发代码进行代码审查，可以识别出潜在的并发错误，例如未加锁的共享资源访问、循环依赖导致的死锁等测试用例设计针对并发场景的测试用例，在多线程环境下运行程序，验证代码的正确性和稳定性，尽早发现并发问题并发编程常见问题死锁竞态条件12多个线程互相等待对方释放资源，导致所有线程都无法继续执行多个线程同时访问共享资源，导致数据不一致或程序行为不可预，陷入僵局可以通过避免循环等待、使用公平锁、设置超时时测可以使用同步机制（例如锁、原子操作）来保证数据一致性间等手段来预防死锁，避免竞态条件数据竞争线程安全问题34多个线程同时修改共享数据，导致数据被破坏或程序出现错误在多线程环境下，代码可能无法正确执行，导致数据错误或程序使用同步机制来保证数据一致性，并确保每个线程对共享数据的崩溃使用线程安全的类和方法，并确保对共享资源的访问是线访问都是原子性的程安全的总结与展望通过这门课程的学习，我们深入了解了并发编程的原理和实践，以及异常管理的最佳实践从线程的基本概念到同步机制，再到异常处理和日志系统，我们掌握了一系列关键知识和技能未来，并发编程和异常管理将继续在软件开发中发挥重要作用，我们需要不断学习和探索新技术，例如异步编程、反应式编程和微服务等，以应对更加复杂的应用场景。