并发编程：Java中的多线程与线程池！

全文目录：

- 开篇语
- - 线程的基础概念
  - - 线程生命周期
    - 线程调度
    - 线程安全
  - 线程池：Executor框架、线程池的管理与调优
  - - Executor框架
    - 线程池的管理与调优
  - 并发工具类：ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier等
  - - ReentrantLock
    - CountDownLatch
    - CyclicBarrier
  - 小结
- 文末

开篇语

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。运营社区：C站/掘金/腾讯云/阿里云/华为云/51CTO；欢迎大家常来逛逛

今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

小伙伴们在批阅的过程中，如果觉得文章不错，欢迎点赞、收藏、关注哦。三连即是对作者我写作道路上最好的鼓励与支持！

线程的基础概念

当我们谈到并发编程时，最核心的概念之一便是线程。线程是一条执行路径，在Java中，线程允许你将一个程序分成多个并行执行的任务。Java中多线程的核心作用是提高程序的执行效率，尤其在处理I/O操作、并行计算等场景中具有重要意义。然而，线程的使用并不是那么简单，特别是在资源共享和同步时，可能会导致诸如死锁、竞态条件等问题。因此，理解线程的生命周期、调度以及线程安全机制，是编写高效并发程序的基础。

线程生命周期

在Java中，线程从创建到终止的过程被称为线程生命周期。线程的生命周期包括几个重要的状态，每个状态有其特定的行为和转变过程。下面简要介绍每个线程状态及其转变：

新建状态（New）：当你创建一个线程对象时，线程进入“新建”状态。此时，线程还没有开始执行。
```
Thread t = new Thread();
// 线程t处于New状态
```
就绪状态（Runnable）：当你调用线程的start()方法时，线程进入“就绪”状态，表示线程已经准备好，等待系统分配CPU时间执行。
```
t.start();  // 线程进入Runnable状态，等待调度
```
运行状态（Running）：线程获得CPU时间片并开始执行。在Java中，线程可以通过Thread.sleep()等方法主动放弃执行时间片，转入“阻塞”状态。
```
public void run() {System.out.println("线程开始执行...");
}
```
阻塞状态（Blocked）：线程在等待某个资源（例如I/O操作或获取锁）时，会进入“阻塞”状态。阻塞状态的线程会等待直到资源可用或获得锁。
```
synchronized (this) {// 当前线程可能被阻塞// 等待锁
}
```
终止状态（Terminated）：线程执行完毕或者由于异常终止时，进入“终止”状态。线程一旦结束，它就不能再重新启动。
```
// 线程执行完毕，进入Terminated状态
```

线程调度

线程调度是指操作系统决定哪个线程获得CPU时间片的过程。在Java中，线程调度依赖于操作系统，但Java也允许我们为线程设置优先级来影响调度的顺序。线程的优先级范围是1到10，其中1表示最低优先级，10表示最高优先级。Java中通过Thread.setPriority()方法来设置线程优先级。

Thread t = new Thread();
t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);  // 设置最高优先级

需要注意的是，线程优先级并不总是能准确影响线程执行顺序，这取决于底层操作系统的调度策略。

线程安全

多线程编程中的一个核心问题是线程安全。当多个线程并发访问共享资源时，必须确保资源的访问不会导致数据不一致或程序崩溃。常见的线程安全问题包括：

竞态条件（Race Condition）：多个线程并发访问同一资源时，程序的执行结果依赖于线程的执行顺序，导致结果不确定。比如，两个线程同时修改共享变量，可能导致数据丢失或错误。
```
int count = 0;
// 线程1执行 count++
// 线程2执行 count++
// 竞态条件发生
```

死锁（Deadlock）：当多个线程互相等待对方释放资源时，形成了死锁，导致程序无法继续执行。

synchronized (lock1) {synchronized (lock2) {// 代码块}
}
synchronized (lock2) {synchronized (lock1) {// 代码块}
}

资源竞争（Resource Contention）：多个线程在没有适当同步的情况下争夺资源，可能导致数据一致性问题。比如在更新数据库记录时，如果没有同步控制，可能导致多个线程同时修改同一数据。

为了解决线程安全问题，Java提供了多种方法，如使用synchronized关键字、ReentrantLock等工具类来进行线程同步。

线程池：Executor框架、线程池的管理与调优

在Java中，线程池是管理线程并发执行的重要工具。使用线程池可以避免频繁创建和销毁线程的开销，提升系统性能，尤其是对于高并发的应用程序来说，线程池是非常必要的。Java提供了Executor框架，用于简化线程池的创建和管理。

Executor框架

Executor框架是Java中用于管理线程池的核心框架。它包含了几个接口和类，用于创建和管理线程池。Executor框架最常用的实现类是ThreadPoolExecutor，它提供了许多灵活的配置选项，能够满足不同场景下的需求。

常见的线程池类型有：

FixedThreadPool：一个固定大小的线程池，适用于负载稳定、任务数目确定的场景。

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
executorService.submit(() -> {System.out.println("Task executed by fixed thread pool.");
});

CachedThreadPool：一个线程池，它会根据任务量动态创建线程，适合任务量非常大，但每个任务执行时间较短的场景。

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.submit(() -> {System.out.println("Task executed by cached thread pool.");
});

SingleThreadExecutor：一个单线程池，适合顺序执行任务的场景。

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
executorService.submit(() -> {System.out.println("Task executed by single thread pool.");
});

线程池的管理与调优

要充分发挥线程池的性能，合理的线程池配置和调优是必不可少的。线程池的主要参数有：

核心线程数（corePoolSize）：线程池中始终保持的线程数。如果线程池中的线程数低于核心线程数，即使没有任务，线程池也会创建新的线程。
最大线程数（maximumPoolSize）：线程池可以创建的最大线程数。当队列满时，线程池会根据配置的最大线程数创建新线程，处理更多的任务。
空闲线程存活时间（keepAliveTime）：线程池中的线程在空闲时保持活跃的时间。超过这个时间的线程会被销毁。
任务队列（workQueue）：存放等待执行任务的队列。可以选择不同类型的队列来管理任务的提交。

通过调整这些参数，可以让线程池适应不同的工作负载，提升并发执行的效率。

并发工具类：ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier等

Java还提供了丰富的并发工具类，帮助我们更高效地进行线程同步和协作。这些工具类可以帮助我们解决一些复杂的同步问题，而不需要过多地依赖synchronized关键字。

ReentrantLock

ReentrantLock是一个显式锁，相较于synchronized，它提供了更灵活的锁操作，如尝试加锁、可中断的加锁、锁的公平性等。它适用于需要精确控制线程同步的场景。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();  // 获取锁
try {// 执行临界区代码
} finally {lock.unlock();  // 释放锁
}

CountDownLatch

CountDownLatch是一种同步工具，用于让一个线程等待多个线程完成任务。它通过一个计数器来控制，计数器的值会随着每个线程的任务完成而减少，当计数器为0时，等待的线程就可以继续执行。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {// 执行任务latch.countDown();  // 任务完成，计数器减1}).start();
}
latch.await();  // 等待计数器为0
System.out.println("All threads finished.");

CyclicBarrier

CyclicBarrier用于在多个线程达到某个共同点时，使得所有线程同步执行。适用于需要多线程分段执行的场景。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {System.out.println("All threads have arrived at the barrier.");
});
for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {try {// 执行任务barrier.await();  // 等待其他线程到达屏障} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();
}

小结

在Java的并发编程中，我们涉及了线程生命周期、线程池管理、并发工具类等多个方面。通过合理使用这些技术，我们可以创建高效、线程安全的并发应用程序。然而，线程的使用是非常精细的，必须小心调优和管理，避免常见的并发问题（如死锁、竞态条件等）。希望通过这篇文章，大家能够对Java并发编程有更深入的理解，也能在实际开发中更自如地应用这些技术。

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