Java之多线程和并发应用

1. 概念与意义

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• 多线程是指一个进程内创建多个线程，使得程序能够同时执行多个任务，从而充分利用多核处理器和资源。
• 并发是指多个任务交替执行，从宏观上看，任务似乎是同时进行的。

这两者结合，可以提高程序的效率和性能，实现更好的用户体验。

2. 多线程的实际应用场景

2.1 网络通信

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在网络通信中，多线程可以实现同时接受多个客户端请求。例如，一个聊天服务器可以利用多线程，让每个连接的客户端都能在独立的线程中进行通信。这样一方面提高了服务器的响应速度，另一方面不会因为一个客户端的阻塞而影响其他客户端。

2.2 数据库操作

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数据库操作通常是I/O密集型任务。使用多线程可以在进行数据库查询的同时，进行其他任务，提高系统的吞吐量。例如，在一个电子商务系统中，可以使用多线程同时查询不同商品的库存和价格，然后将结果整合给用户。

2.3 图片处理

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图片处理是计算密集型任务。例如，一款图片编辑软件可以在后台使用多线程进行图像的滤镜处理、缩放等操作，让用户可以同时进行多个编辑操作，而不会感觉卡顿。

3. 多线程的创建方式

3.1 继承 Thread 类

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1. 自定义线程类继承 Thread 类
2. 重写 run() 方法，编写线程执行体
3. 创建线程对象，调用 start() 方法启动线程

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // run方法线程体
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("线程执行中..." + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个线程对象
        MyThread myThread = new MyThread();
        // 调用start()开启线程
        myThread.start();
        // main线程
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("main线程执行中..." + i);
        }
    }
}

注意: 线程不一定立即执行，CPU安排调度

3.2 实现 Runnable 类

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public class RunnableThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("线程体执行中" + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableThread runnableThread = new RunnableThread();
        // 创建线程对象并启动线程
        new Thread(runnableThread).start();
        // 执行main线程
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("main线程执行中" + i);
        }
    }
}

3.3 实现 Callable 接口

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public class CallableThread implements Callable {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("线程体正在执行中" + i);
        }
        return "执行成功";
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CallableThread callableThread = new CallableThread();
        // 创建执行服务，江县城放进去
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 执行提交
        Future<String> submit = executorService.submit(callableThread);
        // 获取结果
        Object o = submit.get();
        System.out.println(o.toString());
        // 关闭结果
        executorService.shutdown();
    }
}

3.4 比较 Thread 和 Runnable

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后者更推荐，因为它可以避免 Java 单继承的限制，且提供更好的代码复用性。

3.5 线程同步与锁

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在多线程环境下，可能会出现数据竞争和并发问题。Java 提供了synchronized 关键字和ReentrantLock 等机制来实现线程同步和锁定，确保多个线程对共享资源的安全访问。

3.6 线程池

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Java 的线程池可以管理线程的创建、复用和销毁，避免频繁地创建和销毁线程。这在高并发环境下非常有用，提高了性能和资源利用率。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    executor.execute(new MyRunnable());
}
executor.shutdown();

线程池的执行流程：

使用线程池的好处：

1. 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的消耗
2. 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
3. 增加线程的可管理性。线程是稀缺资源，使用线程池可以进行统一分配，调优和监控。

4. 并发编程的挑战和解决方案

4.1 线程安全性

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多线程并发访问共享资源时，可能会导致数据不一致性。通过使用锁、原子操作等手段，可以确保多线程环境下的数据安全。

4.2 死锁

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死锁是指多个线程相互等待对方释放资源，从而导致程序无法继续进行。避免死锁可以通过破坏死锁的四个必要条件之一来实现，如加锁顺序一致性、资源分配有序性等。

5. 实际案例：并发下载器

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考虑一个并发下载器，它可以同时下载多个文件，提高下载效率。每个文件下载可以在独立的线程中进行，下载完成后汇总结果。这种应用可以通过线程池和任务划分来实现。

1. 导入依赖

<dependency>
    <groupId>commons-iogroupId>
    <artifactId>commons-ioartifactId>
    <version>2.8.0version>
dependency>

2. 创建线程，执行任务

public class ExampleCallable implements Runnable {
    private String url;
    private String name;

    public ExampleCallable(String url, String name) {
        this.url = url;
        this.name = name;
    }


    @Override
    public void run() {
        WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
        webDownloader.download(url, name);
        System.out.println("下载文件名为：" + name);
    }

    // 下载器
    class WebDownloader {
        // 下载方法
        public void download(String url, String name) {
            try {
                FileUtils.copyURLToFile(new URL(url), new File((name)));
            } catch (IOException e) {
                System.out.println("io 执行出现异常");
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExampleCallable ec1 = new ExampleCallable("https://img-home.csdnimg.cn/images/20201124032511.png", "1.png");
        ExampleCallable ec2 = new ExampleCallable("https://img-home.csdnimg.cn/images/20201124032511.png", "2.png");
        ExampleCallable ec3 = new ExampleCallable("https://img-home.csdnimg.cn/images/20201124032511.png", "3.png");

        // 创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 提交任务
        executorService.submit(ec1);
        executorService.submit(ec2);
        executorService.submit(ec3);
        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

6. 总结

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多线程编程和并发技术在Java中具有广泛的应用，从网络通信到图像处理，从数据库操作到高并发服务。通过合理的线程管理和同步机制，可以实现更高效的程序和更好的用户体验。然而，多线程编程也带来了一些挑战，如线程安全性和死锁。掌握多线程编程和基本概念和实际应用，将有助于你构建更强大、更可靠的应用程序。