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第四章：Java多线程与并发编程

多线程与并发编程是Java架构师必备的核心技能之一。本章将深入探讨Java多线程与并发编程的关键概念、原理、实现技术以及最佳实践，为你成为Java架构师奠定坚实基础。

4.1 Java线程模型

Java程序运行时，至少有一个主线程和多个守护线程。线程是程序中独立执行的路径，多个线程可以并发执行。Java提供了java.lang.Thread类和java.util.concurrent包来支持多线程编程。

4.2 创建线程

创建线程的两种常见方法：

1. 继承Thread类：

class MyThread extends Thread {

    @Override

    public void run() {

        // 执行任务的代码

    }

}

MyThread myThread = new MyThread();

myThread.start();

1. 实现Runnable接口：

class MyRunnable implements Runnable {

    @Override

    public void run() {

        // 执行任务的代码

    }

}

Thread thread = new Thread(new MyRunnable());

thread.start();

4.3 线程同步与互斥

线程同步是指多个线程按照预定的顺序执行。线程互斥是指在同一时间内，只允许一个线程访问共享资源。Java提供了以下机制来实现线程同步与互斥：

1. synchronized关键字：可用于修饰方法或代码块，实现线程同步和互斥。

public synchronized void synchronizedMethod() {

    // 访问共享资源的代码

}

public void method() {

    synchronized (this) {

        // 访问共享资源的代码

    }

}

1. ReentrantLock：是一个可重入的互斥锁，提供了更灵活的锁定机制。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void method() {

    lock.lock();

    try {

        // 访问共享资源的代码

    } finally {

        lock.unlock();

    }

}

4.4 线程间通信

线程间通信是指线程之间传递数据和消息的过程。Java提供了以下机制来实现线程间通信：

a. wait()、notify()和notifyAll()：这些方法定义在java.lang.Object类中，用于实现线程间通信。wait()使当前线程进入等待状态，notify()唤醒一个等待的线程，notifyAll()唤醒所有等待的线程。

b. BlockingQueue：阻塞队列可以实现线程间的数据传递，具有先进先出（FIFO）特性。例如，ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等。

1. CompletableFuture：Java 8引入的CompletableFuture类提供了异步编程的能力，允许在多个线程之间传递数据和消息。

CompletableFuture.supplyAsync(() -> {

    // 异步执行任务的代码

    return result;

}).thenAccept(result -> {

    // 使用上一个任务的结果执行新任务的代码

});

4.5 Java并发工具类

java.util.concurrent包提供了一系列并发工具类，用于实现高效的多线程编程。

a、Executor框架：提供了线程池管理、任务调度等功能。例如，ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor等。

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

executorService.submit(() -> {

    // 执行任务的代码

});

executorService.shutdown();

1. Semaphore：用于控制同时访问特定资源的线程数量。

Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

public void method() {

    try {

        semaphore.acquire();

        // 访问受限资源的代码

    } finally {

        semaphore.release();

    }

}

1. CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

public void worker() {

    // 完成任务的代码

    latch.countDown();

}

public void waitForWorkers() {

    latch.await();

    // 当所有任务完成后执行的代码

}

1. CyclicBarrier：允许一组线程在达到某个屏障点时互相等待。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);

public void worker() {

    // 完成任务的代码

    barrier.await();

    // 当所有任务到达屏障点后执行的代码

}

4.6 多线程与并发编程的最佳实践

a. 尽量避免使用全局变量和静态变量：全局变量和静态变量容易导致线程安全问题。

b. 使用线程池代替直接创建线程：线程池可有效控制线程数量，提高系统性能。

c. 合理设置线程池大小：线程池大小的设置应根据任务特性和系统资源进行权衡。

d. 使用Java并发工具类：充分利用java.util.concurrent包中提供的并发工具类，简化并发编程。

通过以上讨论，我们已经深入了解了Java多线程与并发编程的核心知识点和最佳实践。在接下来的章节中，我们将继续探讨Java的I/O操作、网络编程、JVM原理等高级主题，以便为您成为Java架构师提供全面的知识储备。