[Java基础系列第5弹]Java多线程：一篇让你轻松掌握并发编程的指南
多线程是一种编程技术，它可以让一个程序同时执行多个任务，从而提高程序的性能和效率。但是，使用Java多线程也不是一件容易的事情，它涉及到很多复杂的概念和问题，如线程安全、同步、锁、原子类、并发集合、生产者消费者模式、线程池模式、Future模式、线程协作模式等。那么，如何才能轻松地学习和使用Java多线程呢？别担心，都在这里解决啦
目录
一、Java多线程的基本概念
二、Java多线程的用法
1.创建和启动线程
2.控制和管理线程
三、Java多线程的问题
1.线程安全问题
四、Java多线程的解决方案
五、Java多线程的总结
一、Java多线程的基本概念
什么是多线程？多线程是一种编程技术，它可以让一个程序同时执行多个任务，从而提高程序的性能和效率。每个任务都是一个线程，它是一个轻量级的执行单元，它可以共享程序的内存空间和资源。Java支持多线程的编程，它提供了Thread类和Runnable接口来创建和管理线程。
为什么要使用多线程？多线程有以下几个优点：
- 可以提高程序的响应速度，例如，在一个图形用户界面（GUI）程序中，我们可以使用一个线程来处理用户的输入和输出，另一个线程来执行后台的计算或者网络请求，这样就可以避免界面卡顿或者阻塞。
- 可以提高程序的资源利用率，例如，在一个多核处理器的系统中，我们可以使用多个线程来充分利用每个核心的计算能力，从而提高程序的运行效率。
- 可以提高程序的设计简洁性，例如，在一个复杂的业务逻辑中，我们可以使用多个线程来分解和封装不同的功能模块，从而提高程序的可读性和可维护性。
二、Java多线程的用法
1.创建和启动线程
如何创建和启动一个线程？在Java中，我们有两种方式来创建和启动一个线程：
- 继承Thread类：我们可以创建一个自定义的类，继承Thread类，并重写run()方法，然后创建该类的对象，并调用start()方法来启动该线程。例如：
// 创建一个自定义的类，继承Thread类
class MyThread extends Thread {
// 重写run()方法
public void run() {
// 在这里写上要执行的任务
System.out.println("Hello, I am a thread.");
}
}
// 在主方法中创建并启动该线程
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建MyThread类的对象
MyThread t = new MyThread();
// 调用start()方法来启动该线程
t.start();
}
}
- 实现Runnable接口：我们可以创建一个自定义的类，实现Runnable接口，并实现run()方法，然后创建该类的对象，并将其作为参数传递给Thread类的构造器，然后创建Thread类的对象，并调用start()方法来启动该线程。例如：
// 创建一个自定义的类，实现Runnable接口
class MyRunnable implements Runnable {
// 实现run()方法
public void run() {
// 在这里写上要执行的任务
System.out.println("Hello, I am a runnable.");
}
}
// 在主方法中创建并启动该线程
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建MyRunnable类的对象
MyRunnable r = new MyRunnable();
// 将其作为参数传递给Thread类的构造器
Thread t = new Thread(r);
// 调用start()方法来启动该线程
t.start();
}
}
两种方式有什么区别？一般来说，我们推荐使用实现Runnable接口的方式来创建和启动线程，因为这样有以下几个优点：
- 避免了Java单继承的限制，我们可以让自定义的类继承其他的类，并实现Runnable接口。
- 增加了程序的灵活性，我们可以将同一个Runnable对象传递给多个Thread对象，从而实现多个线程执行同一个任务。
- 降低了程序的耦合性，我们可以将Runnable对象和Thread对象分离，从而实现任务和执行的解耦。
2.控制和管理线程
如何控制和管理一个线程？在Java中，我们可以使用Thread类提供的一些方法来控制和管理一个线程，例如：
- setName()和getName()方法：我们可以使用这两个方法来设置和获取一个线程的名字，这样可以方便地识别和区分不同的线程。
- setPriority()和getPriority()方法：我们可以使用这两个方法来设置和获取一个线程的优先级，这样可以影响线程调度器对线程的调度顺序。线程的优先级是一个整数，范围是1到10，其中1是最低优先级，10是最高优先级，5是默认优先级。但是需要注意的是，线程的优先级并不保证线程的执行顺序，只是提高了线程被选中的概率。
- join()方法：我们可以使用这个方法来等待一个线程的结束，这样可以保证一个线程在另一个线程之后执行。例如：
// 创建两个线程
Thread t1 = new Thread(new MyRunnable());
Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
// 启动第一个线程
t1.start();
// 调用join()方法来等待第一个线程的结束
t1.join();
// 启动第二个线程
t2.start();
- sleep()方法：我们可以使用这个方法来让一个线程暂停执行一段时间，这样可以模拟一些耗时或者延迟的操作。例如：
// 在run()方法中使用sleep()方法
public void run() {
// 在这里写上要执行的任务
System.out.println("Hello, I am a thread.");
// 让该线程暂停执行3秒
Thread.sleep(3000);
// 在这里写上要继续执行的任务
System.out.println("Bye, I am a thread.");
}
- interrupt()和isInterrupted()方法：我们可以使用这两个方法来中断和检查一个线程的状态，这样可以实现一些取消或者退出的功能。例如：
// 在run()方法中使用isInterrupted()方法
public void run() {
// 在这里写上要执行的任务
System.out.println("Hello, I am a thread.");
// 检查该线程是否被中断
while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
// 在这里写上要循环执行的任务
System.out.println("I am running.");
}
// 在这里写上要继续执行的任务
System.out.println("Bye, I am a thread.");
}
// 在主方法中创建并启动该线程，并调用interrupt()方法来中断该线程
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建MyRunnable类的对象
MyRunnable r = new MyRunnable();
// 将其作为参数传递给Thread类的构造器
Thread t = new Thread(r);
// 调用start()方法来启动该线程
t.start();
// 让主线程暂停执行5秒
Thread.sleep(5000);
// 调用interrupt()方法来中断该线程
t.interrupt();
}
}
三、Java多线程的问题
在使用Java多线程时，我们可能会遇到一些问题或者需要注意一些细节，下面列举一些常见的问题和注意事项：
1.线程安全问题
当多个线程同时访问和操作同一个共享资源时，可能会导致数据不一致或者错误。这种情况称为线程不安全。为了解决线程安全问题，我们需要保证共享资源的原子性、可见性和有序性。原子性是指一个操作不可分割，要么全部执行，要么全部不执行；可见性是指一个线程对共享资源的修改，对其他线程是可见的；有序性是指一个线程内的操作，按照代码的顺序执行。
如何保证线程安全？在Java中，我们有以下几种方式来保证线程安全：
- 使用同步（Synchronization）：同步是一种最基本的线程安全机制，它可以保证一个时间点只有一个线程可以访问和操作共享资源。同步可以通过使用synchronized关键字来实现，它可以修饰代码块或者方法，从而创建一个临界区（Critical Section），在临界区内的代码只能被一个线程执行。例如：
// 创建一个共享资源
int count = 0;
// 创建一个同步代码块
synchronized (this) {
// 在这里访问和操作共享资源
count++;
}
- 使用锁（Lock）：锁是一种更灵活的线程安全机制，它可以实现更细粒度的控制和更多的功能。锁是一种对象，它提供了lock()和unlock()方法来获取和释放锁，以及一些其他的方法来实现条件等待、超时等待、公平性等功能。Java提供了一些内置的锁类，如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock等。例如：
// 创建一个共享资源
int count = 0;
// 创建一个锁对象
Lock lock = new ReentrantLock();
// 调用lock()方法来获取锁
lock.lock();
try {
// 在这里访问和操作共享资源
count++;
} finally {
// 调用unlock()方法来释放锁
lock.unlock();
}
- 使用原子类（Atomic Class）：原子类是一种基于硬件指令实现的线程安全机制，它可以保证对单个变量或者数组元素的读写操作是原子的，不需要使用同步或者锁。Java提供了一些内置的原子类，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。例如：
// 创建一个共享资源
int count = 0;
// 使用AtomicInteger类来封装该变量
AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(count);
// 使用原子类提供的方法来访问和操作该变量
atomicCount.incrementAndGet();
- 使用并发集合（Concurrent Collection）：并发集合是一种支持多个线程同时访问和操作的集合类，它可以保证集合内部的数据结构是线程安全的，不需要使用同步或者锁。Java提供了一些内置的并发集合类，如CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListSet、ConcurrentSkipListMap等。例如：
// 创建一个并发集合对象
Map map = new ConcurrentHashMap<>();
// 使用并发集合提供的方法来访问和操作该集合
map.put("key", 1);
map.get("key");
四、Java多线程的解决方案
在使用Java多线程时，我们可能会遇到一些挑战或者难题，我们需要使用一些设计模式或者框架来解决这些问题。下面我们介绍一些常用的解决方案：
- 生产者消费者模式（Producer-Consumer Pattern）：生产者消费者模式是一种解决多线程间协作的设计模式，它可以实现一个或多个生产者线程和一个或多个消费者线程之间的数据交换。生产者线程负责生产数据并放入一个共享的缓冲区，消费者线程负责从缓冲区中取出数据并消费。生产者和消费者之间需要通过一些同步机制来保证缓冲区不为空也不为满，以及避免数据的丢失或者重复。在Java中，我们可以使用BlockingQueue接口来实现生产者消费者模式，它是一种支持阻塞操作的队列，它可以自动实现缓冲区的同步和管理。例如：
// 创建一个共享的缓冲区
BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
// 创建一个生产者线程
class Producer implements Runnable {
public void run() {
// 在这里写上要生产的数据
String data = "Hello, I am a data.";
try {
// 调用put()方法将数据放入缓冲区，如果缓冲区满了，会阻塞等待
queue.put(data);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 创建一个消费者线程
class Consumer implements Runnable {
public void run() {
try {
// 调用take()方法从缓冲区中取出数据，如果缓冲区空了，会阻塞等待
String data = queue.take();
// 在这里写上要消费的数据
System.out.println("I got a data: " + data);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
- 线程池模式（Thread Pool Pattern）：线程池模式是一种解决多线程资源管理的设计模式，它可以实现对多个线程的复用和控制。线程池是一种容器，它可以存储一定数量的空闲线程，当有新的任务到来时，就从线程池中取出一个线程来执行该任务，当任务完成后，就将该线程归还到线程池中。这样可以避免频繁地创建和销毁线程，提高程序的性能和稳定性。在Java中，我们可以使用Executor接口和ExecutorService接口来实现线程池模式，它们是一种支持执行Runnable或Callable任务的服务，它们可以自动实现线程池的创建和管理。例如：
// 创建一个固定大小的线程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 创建一个Runnable任务
class MyTask implements Runnable {
public void run() {
// 在这里写上要执行的任务
System.out.println("Hello, I am a task.");
}
}
// 将任务提交给线程池执行
executor.execute(new MyTask());
// 关闭线程池
executor.shutdown();
- Future模式（Future Pattern）：Future模式是一种解决多线程异步计算的设计模式，它可以实现对一个可能需要很长时间才能返回结果的任务的代理和管理。Future是一种对象，它表示一个未来会完成的任务，它提供了一些方法来获取任务的状态和结果，以及取消任务等功能。在Java中，我们可以使用Future接口和FutureTask类来实现Future模式，它们是一种支持获取Callable任务返回值的对象，它们可以自动实现Future的功能和属性。例如：
// 创建一个Callable任务
class MyCallable implements Callable {
public String call() throws Exception {
// 在这里写上要执行的任务，并返回结果
Thread.sleep(5000);
return "Hello, I am a result.";
}
}
// 创建一个FutureTask对象，并将Callable任务作为参数传递给它
FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
// 创建一个Thread对象，并将FutureTask对象作为参数传递给它
Thread t = new Thread(futureTask);
// 启动该线程
t.start();
// 在主线程中，调用FutureTask对象的get()方法来获取任务的结果，如果任务还没有完成，会阻塞等待
String result = futureTask.get();
// 在这里写上要使用结果的代码
System.out.println("I got a result: " + result);
- 线程协作模式（Thread Cooperation Pattern）：线程协作模式是一种解决多个线程之间相互等待和通知的设计模式，它可以实现一些复杂的同步逻辑。线程协作模式通常使用一些同步工具类来实现，如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Exchanger等。这些工具类提供了一些方法来实现线程之间的计数、阻塞、释放、交换等功能。在Java中，我们可以使用java.util.concurrent包中提供的这些工具类来实现线程协作模式。例如：
// 创建一个CountDownLatch对象，并指定需要等待的线程数量
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
// 创建三个线程，并将CountDownLatch对象作为参数传递给它们
class MyThread implements Runnable {
private CountDownLatch latch;
public MyThread(CountDownLatch latch) {
this.latch = latch;
}
public void run() {
// 在这里写上要执行的任务
System.out.println("Hello, I am a thread.");
// 调用CountDownLatch对象的countDown()方法来减少计数器的值
latch.countDown();
}
}
Thread t1 = new Thread(new MyThread(latch));
Thread t2 = new Thread(new MyThread(latch));
Thread t3 = new Thread(new MyThread(latch));
// 启动这三个线程
t1.start();
t2.start();
t3.start();
// 在主线程中，调用CountDownLatch对象的await()方法来等待计数器变为零，如果计数器还没有变为零，会阻塞等待
latch.await();
// 在这里写上要在所有线程结束后执行的代码
System.out.println("Bye, I am the main thread.");
五、Java多线程的总结
Java多线程是一种非常强大和灵活的编程技术，它可以让一个程序同时执行多个任务，从而提高程序的性能和效率。Java支持多线程的编程，它提供了Thread类和Runnable接口来创建和管理线程，以及一些其他的类和接口来实现一些设计模式和框架。在使用Java多线程时，我们需要了解Java多线程的基本概念、优点、用法、问题和解决方案。通过掌握Java多线程，我们可以更好地处理并发和异步问题，并且编写出高质量和高性能的代码。