《构建多线程应用程序》课件

构建多线程应用程序欢迎来到《构建多线程应用程序》课程在这个系列中，我们将深入探讨多线程编程的世界，从基础概念到高级技巧，全面覆盖这一重要的编程领域多线程编程是现代软件开发中不可或缺的一部分，它能够显著提高应用程序的性能和响应能力让我们一起踏上这个激动人心的学习之旅，探索如何构建强大、高效的多线程应用程序什么是多线程编程？定义并发与并行多线程编程是一种允许程序同时并发指的是多个任务交替执行，执行多个并发任务的编程技术而并行则是多个任务同时执行每个线程代表一个独立的执行路多线程可以实现这两种模式，具径，共享相同的程序资源体取决于系统的硬件配置应用场景多线程广泛应用于需要同时处理多个任务的场景，如网络服务器、图形用户界面、大数据处理等多线程编程的优势提高性能提升响应性资源利用通过并行处理任务，多多线程允许程序在执行多线程可以更有效地利线程可以显著提高程序长时间任务时保持对用用系统资源，如CPU和的执行速度，尤其是在户输入的响应，提高用I/O，提高整体系统效率多核处理器上户体验多线程编程的挑战复杂性增加同步问题死锁风险多线程程序的设计和调试通常比单线程程多个线程访问共享资源时可能导致数据不不当的线程同步可能导致死锁，使程序陷序更复杂需要考虑线程同步、资源共享一致或竞态条件，需要careful的同步机入停滞状态避免死锁需要谨慎的设计等问题制如何创建线程继承Thread类创建一个继承自Thread类的子类，重写run方法，然后实例化该类并调用start方法实现Runnable接口实现Runnable接口，重写run方法，然后将Runnable实例传递给Thread构造函数使用线程池通过ExecutorService创建线程池，提交Runnable或Callable任务以创建和管理线程线程的生命周期就绪（Runnable）2新建（New）1运行（Running）35终止（Terminated）4阻塞（Blocked）线程的生命周期包括五个主要状态新建、就绪、运行、阻塞和终止理解这些状态及其转换对于有效管理线程至关重要每个状态都代表了线程在其生命周期中的不同阶段，反映了线程的当前活动和可能的下一步操作线程的状态转换新建→就绪调用start方法后，线程进入就绪状态，等待CPU调度就绪↔运行当线程获得CPU时间片时进入运行状态；失去时间片时返回就绪状态运行→阻塞线程遇到I/O操作或调用sleep、wait方法时进入阻塞状态阻塞→就绪阻塞原因消除后，线程重新进入就绪状态，等待再次运行线程的同步机制同步方法使用synchronized关键字修饰方法，确保同一时刻只有一个线程可以执行该方法同步代码块使用synchronizedobject{}语法创建同步代码块，只对关键代码段进行同步，提高效率ReentrantLockjava.util.concurrent包中的可重入锁，提供比synchronized更灵活的锁操作volatile关键字保证变量的可见性，但不保证原子性适用于简单的同步场景共享资源的访问控制互斥锁1使用synchronized或ReentrantLock实现互斥访问，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源读写锁2使用ReadWriteLock接口实现，允许多个读线程同时访问，但写线程需要独占访问信号量3使用Semaphore类控制同时访问特定资源的线程数量，适用于资源池管理原子变量4使用java.util.concurrent.atomic包中的原子类，如AtomicInteger，实现无锁的线程安全操作死锁的产生与避免死锁产生条件避免死锁策略•互斥条件•固定加锁顺序•请求与保持条件•使用超时机制•不剥夺条件•使用tryLock方法•循环等待条件•避免嵌套锁线程安全的编程技巧使用不可变对象最小化共享数据12不可变对象天生是线程安全的，可以在多线程环境中安全共享尽量减少线程间共享的数据，使用线程本地存储（ThreadLocal）隔离数据合理使用同步工具避免过度同步34选择合适的同步工具，如ConcurrentHashMap替代同步范围要精确，避免长时间持有锁，减少线程竞争synchronized HashMap中的线程实现Java内核级线程1用户级线程2混合实现3Java线程模型采用一对一的线程模型，即一个Java线程对应一个本地操作系统线程这种实现方式结合了内核级线程和用户级线程的优点，既能充分利用操作系统的线程调度能力，又能提供灵活的线程管理内核级线程由操作系统直接支持和管理，可以充分利用多处理器系统用户级线程在应用程序中实现，调度更灵活但无法利用多核优势Java的混合实现结合了两者优点，提供了强大而灵活的线程支持类及其方法Threadstart runsleep join启动线程，使线程进入就绪状态定义线程的执行内容，通常被重写使当前线程暂停执行指定的时间等待这个线程结束，常用于线程同步接口及其实现RunnableRunnable接口定义实现Runnable的优势Runnable接口只包含一个run方法，是Java中用于定义线程执•可以继承其他类行任务的标准方式实现Runnable接口比继承Thread类更灵活，•更好地体现面向对象的设计因为Java不支持多重继承•可以更容易地共享资源线程池的使用创建线程池使用Executors工厂方法或ThreadPoolExecutor构造函数创建线程池提交任务使用execute方法提交Runnable任务，或submit方法提交Callable任务管理线程池使用shutdown方法优雅地关闭线程池，或使用awaitTermination等待任务完成线程调度策略时间片轮转抢占式调度操作系统在多个线程之间快速高优先级线程可以抢占低优先切换，创造并发执行的假象级线程的CPU时间优先级调度公平调度Java线程支持1-10的优先级设某些调度器尝试公平分配CPU置，高优先级线程获得更多时间，避免线程饥饿CPU时间2314线程的优先级管理设置优先级默认优先级使用setPriorityint方法设置新创建的线程默认继承其父线程线程优先级，范围从的优先级，通常为Thread.MIN_PRIORITY1到Thread.NORM_PRIORITY5Thread.MAX_PRIORITY10优先级的影响高优先级线程倾向于比低优先级线程获得更多的执行机会，但这不是绝对的具体调度仍取决于操作系统的实现线程的中断处理中断机制中断方法Java的中断机制是一种协作机制，线程可以通过检查中断状态来•interrupt:设置线程的中断状态决定是否应该停止执行中断不会强制终止线程，而是给线程一•isInterrupted:检查线程是否被中断个停止的机会•interrupted:检查并清除中断状态线程的终止方式自然终止线程执行完run方法后自动终止标志位控制使用volatile布尔变量作为运行标志，在外部改变标志值使线程终止中断响应调用interrupt方法并在线程内部响应中断请求异常处理在run方法中抛出异常可以导致线程终止线程的异常处理try-catch块UncaughtExceptionHandler在run方法内使用try-catch块捕获并处理异常，防止异常导致设置全局或线程特定的线程意外终止UncaughtExceptionHandler来处理未捕获的异常Future.get使用线程池提交任务时，可以通过Future.get方法捕获任务执行中的异常关键字的使用volatile保证可见性禁止重排序不保证原子性volatile保证一个线程对变量的修改对其他线程v立o即la可til见e防止指令重排，保证程序顺序性volatile不能保证复合操作的原子性，如i++关键字的使用synchronized同步方法同步代码块使用synchronized修饰方法，整个方法成为同步代码块对于实使用synchronizedobject{}语法创建同步代码块，只锁定关键例方法，锁是this对象；对于静态方法，锁是类对象代码段，提高并发性能锁对象可以是任何非null的引用类型对象可重入锁的使用条件变量释放锁使用newCondition创建条件获取锁在finally块中调用unlock方变量，实现更复杂的线程协作创建锁调用lock方法获取锁，如果锁不可法用释则放阻锁塞，确保锁始终被释放使用new ReentrantLock创建可重入锁实例读写锁的使用ReadWriteLock接口实现类ReentrantReadWriteLockReadWriteLock提供了分离的读锁和写锁多个读线程可以同时ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock的可重入实现获得读锁，但写锁是独占的这种机制可以提高并发读取的性能它允许读线程在没有写线程的情况下同时访问，而写线程则需要独占访问信号量的使用创建信号量1使用new Semaphorepermits创建信号量，指定许可数量获取许可2调用acquire方法获取许可，如果没有可用许可则阻塞释放许可3使用release方法释放许可，增加可用许可数量应用场景4信号量常用于限制对资源的并发访问数量，如连接池管理闭锁的使用创建闭锁1等待24释放计数3闭锁（CountDownLatch）是一种同步工具，允许一个或多个线程等待直到一组操作完成它初始化时指定一个计数，每完成一个操作就调用countDown方法减少计数当计数达到零时，所有等待的线程被释放闭锁的典型用途包括确保某个计算在其需要的所有资源都被初始化之后才继续执行；确保一个服务在其依赖的所有其他服务都已经启动之后才启动；等待直到某个操作的所有参与者都就绪再继续执行栅栏的使用创建CyclicBarrier使用new CyclicBarrierparties,barrierAction创建栅栏，指定参与方数量和可选的屏障动作线程到达栅栏线程调用await方法到达栅栏点，等待其他线程栅栏打开当所有参与方都到达栅栏时，栅栏打开，所有线程继续执行重置栅栏CyclicBarrier可以重置和重用，适用于重复的场景线程安全的集合类Java提供了多种线程安全的集合类，用于在多线程环境中安全地存储和操作数据这些集合类内部实现了同步机制，无需额外的同步代码常用的线程安全集合包括Vector、Hashtable、ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList和各种BlockingQueue实现选择合适的线程安全集合类可以显著简化多线程编程，提高程序的可靠性和性能例如，ConcurrentHashMap提供了比同步的HashMap更高的并发性，而CopyOnWriteArrayList则适用于读多写少的场景并发容器的使用ConcurrentHashMap CopyOnWriteArrayList高性能的线程安全Map实现，适用于高并发读写场景适用于读多写少的场景，写操作时复制整个数组ConcurrentLinkedQueue BlockingQueue基于链表的无界线程安全队列，适用于高并发环境支持阻塞操作的队列接口，常用于生产者-消费者模式和接口Future CallableCallable接口Future接口Callable是一个函数式接口，表示一个可能抛出异常的任务与Future表示一个异步计算的结果它提供了检查计算是否完成、Runnable不同，Callable可以返回结果和抛出检查异常它的等待完成、获取计算结果等方法Future可以取消任务，检查任call方法返回一个泛型类型的结果务是否已取消或已完成的使用CompletableFuture创建CompletableFuture使用CompletableFuture.supplyAsync或completedFuture方法创建实例链式操作使用thenApply、thenCompose等方法串联多个异步操作组合多个Future使用allOf或anyOf方法组合多个CompletableFuture异常处理使用exceptionally或handle方法处理异步操作中的异常线程局部变量的使用创建ThreadLocal设置值获取值移除值使用new ThreadLocal创使用set方法为当前线程设置使用get方法获取当前线程的使用remove方法清除当前线建线程局部变量线程局部变量的值线程局部变量值程的线程局部变量值线程的性能调优合理设置线程数1根据CPU核心数和I/O密集度合理设置线程池大小，避免过多线程导致的上下文切换开销减少锁竞争2使用细粒度锁，减少锁的持有时间，考虑使用无锁算法或乐观锁避免过度同步3只在必要的代码块上使用同步，避免长时间持有锁使用高效的并发集合4选择合适的并发集合类，如ConcurrentHashMap替代同步的HashMap并发编程最佳实践优先使用不可变对象不可变对象天生是线程安全的，可以简化并发编程遵循happens-before原则理解并利用Java内存模型的happens-before规则，确保正确的内存可见性避免使用Thread.stop使用中断机制或标志位来停止线程，而不是使用已废弃的stop方法正确使用wait和notify在synchronized块中使用wait和notify，并始终在循环中检查等待条件常见的多线程问题及解决竞态条件死锁线程饥饿问题多个线程同时访问共享资源，导致数据不一问致题两个或多个线程互相等待对方持有的锁，导问致题程序低停优滞先级线程长时间无法获得CPU时间解决使用同步机制（如synchronized、解决按固定顺序获取锁，使用带超时的解决使用公平锁，避免优先级倒置，定期释放锁锁）或原子操作锁获取，使用tryLock方法线程安全的设计模式单例模式不可变模式生产者-消费者模式线程池模式使用双重检查锁定或枚举实现线程安创全建的不单可例变对象，天生线程安全，无使需用同B步lo ckingQueue实现线程使用ExecutorService管理和安全的生产者-消费者模式重用线程，提高效率使用线程构建高性能应用任务分解将大任务分解为可并行执行的小任务，充分利用多核处理器负载均衡合理分配任务到不同线程，避免某些线程过载而其他线程空闲异步处理使用CompletableFuture等工具实现非阻塞的异步操作，提高响应性缓存优化使用线程安全的缓存机制，减少重复计算和资源访问多线程编程的前景与发展并行算法创新函数式并发12新的并行算法不断涌现，提高多核系统的利用效率函数式编程范式在并发编程中的应用日益广泛分布式系统硬件支持43多线程技术在分布式系统和云计算中发挥越来越重要的作用处理器架构对并发的硬件级支持不断增强总结与展望课程回顾未来展望我们已经深入探讨了多线程编程的核心概念、常用工具和最佳实随着硬件和软件技术的不断进步，多线程编程将在未来的软件开践从基础的线程创建和同步，到高级的并发容器和异步编程模发中扮演更加重要的角色掌握多线程编程技能将成为每个Java型，我们全面覆盖了Java多线程编程的各个方面开发者的必备素质，为构建高性能、高可靠性的应用程序奠定基础。