多线程并发和锁机制原理

进程和线程：

• 进程： 进程是操作系统中的一个执行单元，它包含了程序的代码、数据和系统资源。每个进程都有独立的内存空间，它们之间不能直接访问对方的内存。
• 线程： 线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。线程共享进程的内存空间，因此它们可以直接访问相同进程中的数据。

特性区别：

• 独立性： 进程是独立的执行单元，每个进程有自己的地址空间和资源。线程则共享相同的地址空间和资源，它们更轻量级。
• 通信和同步： 进程之间通信相对复杂，通常需要使用进程间通信（IPC）机制。线程之间可以直接共享数据，但需要考虑同步问题，防止竞态条件。
• 切换开销： 进程切换的开销较大，因为需要切换整个地址空间。线程切换的开销较小，因为它们共享相同的地址空间。
• 容错性： 进程之间的容错性较好，一个进程的崩溃不会影响其他进程。线程之间共享相同的资源，因此一个线程的错误可能影响整个进程。

价值，扩展，利用的空间，场景：

• 价值： 进程提供了更强的隔离性，适用于需要独立执行环境的任务。线程更轻量，适用于需要并发执行的任务。
• 扩展： 进程的扩展受限于系统资源，而线程可以更容易地扩展，因为它们共享相同的资源。
• 利用的空间： 进程间通信的开销较大，但可以充分利用多核处理器。线程更适合在单个核心上执行，并发地完成任务。
• 场景： 进程适用于需要高度隔离和稳定性的任务，如服务器应用。线程适用于需要并发处理、响应时间较短的任务，如图形界面应用和网络通信。

实现线程的方式：

• extends Thread类 

通过继承Thread类，可以创建一个新的线程类。子类需要重写Thread类的run()方法，该方法包含线程的执行逻辑。然后，可以创建该线程类的实例并调用start()方法启动线程。

public class MyThread extends Thread{
    public void run(){
        for(int i=0;i<10;i++){
            System.out.println("Value:"+i);
        }
    }

    public static void main(String args[]){
        MyThread t1 = new MyThread();
        t1.start();
    }
}

• implements Runnable 接口 推荐 

通过实现Runnable接口，可以将线程的执行逻辑封装在一个实现了run()方法的类中。然后，创建Thread类的实例时，将实现了Runnable接口的类的实例传递给Thread的构造方法。

public class MyRunnable implements Runnable{
    public void run(){
        for(int i=0;i<10;i++){
            System.out.println("Value:"+i);
        }
    }
    public static void main(String args[]){
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        Thread t1 = new Thread(mr);
        t1.start();
    }
}

• implements Callable 接口 

实现Callable接口是Java中另一种实现多线程的方式，相对于Runnable接口，Callable接口提供了更强大的功能和更灵活的线程控制。主要区别在于，Callable接口允许线程执行任务后返回一个结果，并且可以抛出异常。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class MyCallable implements Callable {
    public Integer call(){
        int sum=0;
        for (int i=0;i<10;i++){
            sum+=i;
        }
        return sum;
    }
    public static void main(String args[]){
        Callable mc = new MyCallable();

        // 将Callable实例包装成FutureTask
        FutureTask ft = new FutureTask<>(mc);

        // 创建线程并启动
        Thread t1 = new Thread(ft);
        t1.start();
        try {
            // 获取线程执行结果
            Integer result = ft.get();
            System.out.println("Sum from Callable: " + result);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

区别：

• 继承Thread类：

  • 优点：简单，直观，易于理解。
  • 缺点：由于Java是单继承，继承了Thread类后不能再继承其他类。

• 实现Runnable接口：

  • 优点：更灵活，可以实现多个接口，可以作为参数传递给Thread类的构造方法。
  • 缺点：稍微繁琐一些，需要额外创建一个实现Runnable接口的类的实例。

选择建议：

• 如果需要在定义线程的同时扩展其他类的功能，或者需要在多个线程之间共享数据，推荐使用实现Runnable接口的方式。

• 如果简单地需要定义一个线程，而不用担心单继承的限制，并且不需要共享数据，可以使用继承Thread类的方式。

synchronized：

synchronized是Java中用于实现同步的关键字，它可以应用于方法和代码块。同步是为了确保多个线程在访问共享资源时的安全性，防止并发访问导致的数据不一致或其他问题。下面是对synchronized的详细介绍：

同步方法：

使用synchronized修饰方法，确保在同一时间只有一个线程能够访问该方法。这种方式适用于整个方法需要被同步的情况。

public class MyClass {
    private int count = 0;

    // 同步方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

同步代码块：

使用synchronized修饰代码块，可以选择性地对一部分代码进行同步，而不是整个方法。这样可以提高程序的性能，因为只有必要的部分受到同步保护。

public class MyClass {
    private int count = 0;
    private Object lock = new Object();

    public void increment() {
        // 同步代码块
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }
}

实例级别的锁和类级别的锁：

• 实例级别的锁： 使用synchronized修饰非静态方法时，锁是当前对象实例。不同实例的方法调用之间互不影响。

public synchronized void instanceMethod() {
    // 同步方法
}

• 类级别的锁： 使用synchronized修饰静态方法时，锁是当前类的Class对象。不同实例之间的静态方法调用之间也会受到同步保护。

public static synchronized void staticMethod() {
    // 同步静态方法
}

避免死锁：

在使用synchronized时，要注意避免死锁的情况。死锁发生在两个或多个线程相互等待对方释放锁的情况下。为了避免死锁，要确保线程获取锁的顺序是一致的。

例

创建一百个线程对num进行 ++ 操作 ，每个线程中都是一个死循环，判断跳出循环的条件是num==100w跳出，并打印本线程执行了多少次

public class IncrementThread1 extends Thread {
    private static int num = 0;
    private static final int TARGET = 1000000;

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (num < TARGET) {
            num++;
            count++;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " executed " + count + " times.");
    }

    public static void main(String[] args) {
        final int THREAD_COUNT = 100;
        IncrementThread1[] threads = new IncrementThread1[THREAD_COUNT];

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threads[i] = new IncrementThread1();
            threads[i].start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            try {
                threads[i].join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("Final num value: " + num);
    }
}

加上synchronized

public void run() {
        int count = 0;
        while (num < TARGET) {
            synchronized (IncrementThread.class) {
                if (num < TARGET) {
                    num++;
                    count++;
                }
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行了 " + count + " 次。");
    }

死锁问题：

死锁是多线程编程中一种常见的问题，它发生在两个或多个线程相互等待对方释放锁的情况下，导致程序无法继续执行。死锁通常是由于多个线程争夺资源时，每个线程都持有一部分资源并等待其他线程释放它所需要的资源，形成了相互等待的循环。

死锁发生的条件：

• 互斥条件： 至少有一个资源是被独占的，即只能由一个线程同时使用。

• 不可剥夺条件： 一个线程在持有资源的同时可以请求其他资源，而且不释放已经持有的资源。

• 请求与保持条件： 线程已经持有了一些资源，又在请求其他资源，此时不能抢占已经被其他线程持有的资源。

• 循环等待条件： 存在一个线程等待序列，其中每个线程都在等待下一个线程所持有的资源。

两个线程之间互相持有对方需要的锁，两个线程都持有了一把锁，接着都需要再持有一把锁(也是对方目前持有的锁)才可以执行任务

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TA extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized (Main.object1) {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("TA - 持有 O1 Lock");
                synchronized (Main.object2) {
                    System.out.println("TA - 持有 O2 Lock");
                    Main.num++;
                }
            }
        }
        System.out.println("TA- end");
    }
}
class RA implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized (Main.object2) {// synchronized 大括号范围之内 在线程级别都是一个原子性的操作
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("RA - 持有 O2 Lock");
                synchronized (Main.object1) {
                    System.out.println("RA - 持有 O1 Lock");
                    Main.lock.lock();
                    Main.num++;
                    Main.lock.unlock();
                }
            }
        }
        System.out.println("RA- end");
    }
}
class Main {
    static int num = 0;
    static Object object1 = new Object();
    static Object object2 = new Object();
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
// 实例化线程对象
        TA ta = new TA();
        RA ra = new RA();
        ta.start();
        Thread t1 = new Thread(ra);
        t1.start();
// 等待线程执行完成
        try {
            ta.join(); // 阻塞方法直到线程执行完成
            t1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println(num);
    }
}

预防和解决死锁：

• 加锁顺序： 确保所有线程按照相同的顺序获得锁，以减少循环等待的可能性。

• 使用定时锁： 使用tryLock()来尝试获取锁，设置超时时间，如果超过时间仍未获得锁，就释放已经持有的锁。

• 避免嵌套锁： 尽量避免在持有锁的情况下再去获取其他锁，以减少死锁的概率。

• 定期检测： 定期检测系统中是否存在死锁，并采取相应的措施，如强制终止其中一个线程。