Java并发编程：从入门到精通
Java作为一门广泛应用于服务器端开发的语言，并发编程是其重要组成部分。掌握并发编程技术，能够充分利用多核处理器资源，提升程序性能，构建高吞吐量、低延迟的应用程序。本文将从基础概念入手，逐步深入，探讨Java并发编程的各个方面，助你从入门到精通。
一、并发编程基础
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进程与线程: 进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是进程的执行单元，共享进程的资源。Java并发编程主要关注线程。
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并发与并行: 并发指多个任务在同一时间段内执行，而并行指多个任务在同一时刻执行。并行是并发的子集，需要多核处理器支持。
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线程的生命周期: 线程的生命周期包括新建、就绪、运行、阻塞和死亡五个状态。理解线程状态转换有助于排查并发问题。
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上下文切换: CPU在多个线程之间快速切换，带来一定的性能开销。减少上下文切换是优化并发程序的关键。
二、Java线程的创建与启动
Java提供了两种创建线程的方式：
- 继承Thread类: 创建一个继承Thread类的子类，重写run()方法，在run()方法中编写线程执行的逻辑。
“`java
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
// 线程执行的逻辑
System.out.println(“Thread ” + Thread.currentThread().getName() + ” is running.”);
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start(); // 启动线程
}
}
“`
- 实现Runnable接口: 创建一个实现Runnable接口的类，实现run()方法。将Runnable对象作为参数传递给Thread构造函数，创建Thread对象并启动。
“`java
class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
// 线程执行的逻辑
System.out.println(“Thread ” + Thread.currentThread().getName() + ” is running.”);
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start(); // 启动线程
}
}
“`
推荐使用实现Runnable接口的方式，更灵活，避免单继承的限制。
三、线程同步与互斥
- synchronized关键字: 用于同步代码块或方法，保证同一时刻只有一个线程可以访问同步代码。
“`java
public synchronized void synchronizedMethod() {
// 同步代码块
}
public void method() {
synchronized (this) {
// 同步代码块
}
}
“`
- Lock接口: 提供更灵活的同步机制，例如可重入锁、读写锁等。
java
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
// 临界区代码
} finally {
lock.unlock(); // 必须在finally块中释放锁
}
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volatile关键字: 保证变量的可见性，禁止指令重排序，适用于简单的同步场景。
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原子变量: 提供原子操作，例如AtomicInteger、AtomicLong等，避免并发修改带来的数据不一致问题。
四、线程间通信
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wait()、notify()、notifyAll(): 用于线程间的协作，wait()使线程进入等待状态，notify()唤醒一个等待线程，notifyAll()唤醒所有等待线程。
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Condition接口: 提供更精细的线程等待和唤醒机制，可以指定等待条件。
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BlockingQueue: 阻塞队列，提供线程安全的队列操作，例如put()和take()方法。
五、Java并发工具类
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CountDownLatch: 允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。
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CyclicBarrier: 允许一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个屏障点后再一起继续执行。
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Semaphore: 控制并发访问资源的线程数量。
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Exchanger: 用于两个线程之间交换数据。
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ExecutorService: 线程池，管理线程的生命周期，提高线程利用率。
六、并发编程的陷阱与最佳实践
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死锁: 两个或多个线程互相持有对方所需的资源，导致程序无法继续执行。
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活锁: 线程不断地重试操作，但始终无法获取资源。
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饥饿: 某些线程长时间无法获取资源，导致程序性能下降。
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竞态条件: 多个线程竞争访问共享资源，导致程序结果不确定。
最佳实践:
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尽量减少锁的粒度，提高并发性能。
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使用合适的同步机制，避免死锁、活锁等问题。
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使用线程池管理线程，避免频繁创建和销毁线程带来的开销。
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注意线程安全，避免竞态条件。
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使用并发工具类简化并发编程。
七、高级并发编程
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Fork/Join框架: 用于并行处理大型任务，将任务分解成子任务，并行执行子任务，最后合并结果。
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CompletableFuture: 用于异步编程，支持链式调用、组合多个异步操作。
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Stream API: 提供并行流操作，可以方便地对集合进行并行处理。
结语:
Java并发编程是一个复杂而重要的领域，本文从基础概念到高级特性，较为全面地介绍了Java并发编程的知识体系。掌握并发编程技术需要不断学习和实践，才能真正理解并发编程的精髓，构建高性能、高可靠性的应用程序。 希望本文能为你提供一个学习的 roadmap，在并发编程的道路上越走越远。 深入学习每个知识点，结合实际项目经验，才能真正将理论知识转化为实践能力。 不断探索新的并发编程技术，才能保持在技术前沿的竞争力。