Java多线程编程实现指南

一、多线程基础概念

Java多线程编程是指在一个任务中，同时执行多段代码，相当于同时完成多个子任务而不是顺序执行。

有两种方式实现多线程：继承Thread类和实现Runnable接口。继承Thread类必须重写run()方法，可以通过调用start()方法启动线程；实现Runnable接口需要将Runnable实例作为Thread类的构造函数参数，然后通过调用Thread类的start()方法启动线程。

多线程编程带来的好处是：①提高CPU的利用率；②提高系统的响应速度和处理能力；③便于编写复杂的程序。

二、线程同步和互斥

多线程环境下，线程之间共享同一块内存空间。多个线程修改该内存空间内的数据时，容易出现不一致的情况。因此，需要进行线程同步和互斥。

线程同步指的是多个线程按一定的顺序执行，避免对共享数据的并发读写操作导致的数据错误。常用的线程同步控制方式有：synchronized关键字、Lock、信号量等。

线程互斥是指在同一时刻只能有一个线程访问共享数据。互斥可以通过 synchronized关键字和 Lock 接口等实现。


public class SynchronizedThreadExample {
    private static int count = 0;

    public static synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                increment();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + count);
    }
}

三、线程池和执行器

线程池是一种实现多线程的方式。它可以复用已经创建的线程，避免创建/销毁线程的开销。线程池还可以控制并发线程的数量，避免系统负载过高。

Java提供了Executor框架和ThreadPoolExecutor实现线程池。ThreadPoolExecutor可以管理一个线程池的运行状态，包括线程数量、线程池大小等。


public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        Runnable task1 = () -> {
            System.out.println("Executing Task1");
        };
        Runnable task2 = () -> {
            System.out.println("Executing Task2");
        };
        Runnable task3 = () -> {
            System.out.println("Executing Task3");
        };
        Runnable task4 = () -> {
            System.out.println("Executing Task4");
        };
        Runnable task5 = () -> {
            System.out.println("Executing Task5");
        };

        executorService.submit(task1);
        executorService.submit(task2);
        executorService.submit(task3);
        executorService.submit(task4);
        executorService.submit(task5);

        executorService.shutdown();
    }
}

四、并发编程问题

并发编程中会出现多个线程同时访问同一块内存区域，这种情况下会存在多种问题。如竞态条件、死锁、饥饿等。很多内置的Java类库已经对并发编程问题进行了处理，阻止这些问题的产生。

其中一种是通过使用volatile关键字防止多线程修改一个变量时，所造成的不可预知操作。


public class VolatileExample {
    private static volatile boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (!flag) {
            }
            System.out.println("Thread1 ended");
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag = true;
            System.out.println("Thread2 ended");
        }).start();
    }
}

五、死锁的特征和解决死锁问题

多线程编程过程中，可能会出现死锁问题。死锁是指两个或多个线程在执行过程中因争夺资源而相互等待造成的一种资源互相等待的情况。

解决死锁问题可以采用以下方法：①避免使用多个锁；②按照顺序申请锁；③设置超时时间；④通过一个中介对象来协调锁的获取。


public class DeadlockExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock1 = new Object();
        Object lock2 = new Object();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock1) {
                    System.out.println("Thread1 acquired lock1");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {}
                    synchronized (lock2) {
                        System.out.println("Thread1 acquired lock2");
                    }
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread2 acquired lock2");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {}
                    synchronized (lock1) {
                        System.out.println("Thread2 acquired lock1");
                    }
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}