Java 多线程特性及用法大纲
一. 简介
1. 什么是多线程
多线程是指在一个程序中同时运行多个线程的并发执行方式。每个线程都是程序的独立执行单元，它们可以在同一时间内执行不同的任务，使得程序可以更高效地利用多核处理器和资源。Java是一种支持多线程编程的编程语言，通过其多线程特性，可以实现并发执行不同任务，提高程序的性能和响应能力。
在 Java 中，每个线程都是由 Thread 类或实现了 Runnable 接口的类创建的。线程可以独立地执行代码，具有自己的程序计数器、栈、寄存器等。Java提供了多线程编程的支持，使得开发者可以轻松地创建、管理和控制多个线程，以实现并行处理任务，例如同时处理用户输入、后台计算、网络通信等。
2. 为什么使用多线程
使用多线程是为了充分利用现代计算机的多核处理器和资源，以提高程序的性能、响应性和效率。
以下是一些使用多线程的主要原因：
1. 并行处理：多线程允许程序同时执行多个任务，从而实现并行处理。这对于需要同时处理多
个任务的应用程序非常重要，如图像和视频处理、数据分析等。
2. 提高性能：多线程可以在多核处理器上同时执行不同的任务，从而显著提高应用程序的运行
速度和性能。
3. 改善响应性：在单线程应用中，如果一个任务阻塞了，整个程序都会被阻塞。而多线程允许
程序继续响应其他请求，即使某些任务正在等待资源。
4. 任务分解：多线程使得大型任务可以分解成更小的子任务，每个子任务都可以在独立的线程
中执行。这样可以更有效地管理和调度任务。
5. 多任务处理：多线程允许程序同时处理多个任务，比如在一个Web服务器中同时处理多个客
户端请求，提供更好的用户体验。
6. 资源共享：多线程允许不同的线程共享同一组资源，如内存、文件、数据库连接等。这可以
减少资源的浪费，并提高资源利用率。
7. 实时性：对于需要实时处理的应用，多线程可以使任务在严格的时间限制内完成，如嵌入式
系统、实时图像处理等。
8. 异步编程：多线程可以用于实现异步编程模型，允许程序执行非阻塞的操作，如在网络通信
中发送请求同时不阻塞其他操作。
9. 提高用户体验：在GUI应用中，多线程可以确保用户界面的流畅响应，即使后台执行一些耗时
的任务。
3. Java中的多线程支持
Java 提供了丰富的多线程支持，使开发者能够更容易地创建、管理和控制多线程应用程序。以下是Java 中多线程支持的主要方面：
1. Thread 类和 Runnable 接口： Java 提供了Thread类和Runnable接口来创建和管理线
程。你可以通过继承Thread类或实现Runnable接口来定义线程任务，并在run()方法
中实现线程的逻辑。通过调用线程对象的start()方法，你可以启动一个新的线程来执行任
务。
2. 线程生命周期管理：线程在不同的状态间转换，包括新建（New）、可运行（Runnable）、
阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、计时等待（Timed Waiting）和终止（Terminated）
等状态。Java 提供了方法来管理线程的状态，如wait()、notify()、notifyAll()等。
3. synchronized 关键字： Java 的synchronized关键字用于实现线程的同步和互斥。它可以
用于方法和代码块，确保同一时刻只有一个线程可以访问同步的代码。这有助于避免多线程环
境中的竞态条件。
4. ReentrantLock 类：这是一个可重入的互斥锁类，提供了更灵活的同步控制。它允许线程按
照特定的顺序获取锁，支持公平和非公平锁。
5. volatile 关键字：volatile关键字用于确保变量在线程间的可见性，禁止对变量的指令重
排优化，从而适用于一些需要频繁读写的场景。
6. 等待-通知机制： Java 提供了wait()、notify()和notifyAll()方法，允许线程在某些
条件满足之前等待，并在条件满足时得到通知，从而实现线程间的协作。
7. Executor 框架： Java 提供了Executor框架，通过线程池来管理线程的创建和销毁。它可
以提高线程的利用率，减少线程创建和销毁的开销。
8. 并发集合： Java 提供了多种线程安全的集合类，如ConcurrentHashMap和
CopyOnWriteArrayList，用于在多线程环境下安全地操作集合数据。
9. 并发工具类： Java 提供了多种并发工具类，如CountDownLatch、CyclicBarrier、
Semaphore等，用于实现不同类型的线程协作和同步。
10. Fork/Join 框架：该框架用于处理任务的并行执行，特别适用于分而治之的问题，将任务拆
分为更小的子任务，然后合并结果。
11. 新的并发特性：随着 Java 版本的更新，新的并发特性不断引入，如 Java 8 中的
CompletableFuture、Java 9 中的流式异步编程等。
二. 创建线程
在Java中，有多种方式可以创建多线程。以下是常见的几种创建多线程的实现方式：
1. 继承Thread类：
这是一种直接创建线程的方式。创建一个继承自Thread类的子类，并重写其run()方法来定义线程要执行的任务。然后，通过调用子类的start()方法来启动线程执行任务。
class MyThread extends Thread {
public void run() {
// 线程要执行的任务
}
}
// 创建并启动线程
MyThread thread=new MyThread();
thread.start();
2. 实现Runnable接口：
这是一种更灵活的创建线程的方式。可以创建一个实现了Runnable接口的类，重写其run()方法，然后将该实例传递给Thread类的构造函数来创建线程。
class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// 线程要执行的任务
}
}
// 创建Runnable实例
MyRunnable myRunnable=new MyRunnable();
// 创建并启动线程
Thread thread=new Thread(myRunnable);
thread.start();
3. 使用匿名内部类：
可以在创建线程的同时实现其任务逻辑，使用匿名内部类的方式来创建线程。这在简单的场景下很方便。
Thread thread=new Thread(new Runnable() {
public void run() {
// 线程要执行的任务
}
});
thread.start();
4. 使用Java 8的Lambda表达式：
在Java 8及以后的版本中，可以使用Lambda表达式来更简洁地定义线程要执行的任务。
Thread thread=new Thread(() -> {
// 线程要执行的任务
});
thread.start();
这些是Java中常见的创建多线程的方式。虽然以上方式在创建线程时都可以工作，但在选择时需要根据具体情况来考虑哪种方式更适合应用场景。此外，还有其他一些高级的方式，如使用线程池、实现Callable接口等，来更好地管理和控制多线程应用。
三. 线程生命周期管理
1. 线程状态
Java中多线程的生命周期管理涵盖了线程从创建到终止的各个状态和状态之间的转换。以下是Java 多线程的几种状态：嵌入式多线程编程
1. 新建状态（New）：
线程对象被创建但尚未调用start()方法。
此时线程还未启动，不占用系统资源。
2. 就绪状态（Runnable）：
调用了线程的start()方法，线程已经准备好运行，但尚未获得CPU时间片。
系统会从就绪的线程中选择一个来执行，但选择哪个线程运行是由系统的线程调度器决
定的。
3. 运行状态（Running）：
线程获得了CPU时间片，正在执行其run()方法中的代码。
线程可能在一个时间片内运行完毕，也可能被抢占，重新进入就绪状态。
4. 阻塞状态（Blocked）：
当线程等待某个条件（如锁资源、I/O操作等）满足时，会进入阻塞状态。
线程在阻塞状态下暂停运行，不会消耗CPU时间。
5. 等待状态（Waiting）：
线程等待某个特定条件的发生，等待其他线程调用notify()或notifyAll()来唤醒
它。
调用wait()、join()、LockSupport.park()等方法可以使线程进入等待状态。
6. 计时等待状态（Timed Waiting）：
类似于等待状态，但是可以设置一个等待时间，如果在等待时间内没有被唤醒，线程会
自动唤醒。
调用sleep()、wait(long timeout)、join(long timeout)等方法可以使线程进
入计时等待状态。
7. 终止状态（Terminated）：
线程执行完了run()方法的代码，或者因为异常终止而结束。
一旦线程终止，就不能再回到可运行状态。
2. 状态转换及原因
在Java中，线程的状态可以通过以下几种值来表示：
1. 新建（New）：当线程对象被创建但尚未调用其start()方法时，线程处于新建状态。这时
线程仅占用一些内存，尚未开始执行。
2. 运行（Runnable）：线程通过start()方法开始执行，进入运行状态。但是，由于线程调
度的随机性，线程可能会在运行状态之间进行切换。
3. 阻塞（Blocked）：线程在等待某些条件的满足时，可能会进入阻塞状态。常见的情况包括
等待I/O操作、等待获取锁、等待其他线程的通知等。
4. 等待（Waiting）：线程在调用Object.wait()、Thread.join()等方法时，会进入等待
状态。这些方法会导致线程等待其他线程的操作完成或等待特定条件的满足。
5. 计时等待（Timed Waiting）：类似于等待状态，但在等待一段特定时间后，线程会自动转
换为运行状态。例如，通过Thread.sleep()、Object.wait(timeout)等方法可使线程进
入计时等待状态。
6. 终止（Terminated）：线程完成了其任务或因某种原因终止时，会进入终止状态。一旦线
程终止，它将不再运行。
线程状态之间的转换是由Java虚拟机（JVM）的线程调度器和线程操作引起的。下面是一些可能导致状态转换的原因：
1. 新建到运行：调用线程对象的start()方法会使线程从新建状态转换为运行状态。JVM会在
适当的时间调度线程并开始执行其run()方法。
2. 运行到阻塞：当线程等待某些资源或条件时，它会从运行状态转换为阻塞状态。例如，等待
I/O操作、等待获取锁时会导致阻塞。
3. 运行到等待：调用Object.wait()、Thread.join()等方法会使线程从运行状态转换为等
待状态，等待其他线程发出的通知或特定条件的满足。
4. 运行到计时等待：调用Thread.sleep()、Object.wait(timeout)等方法会使线程从运行
状态转换为计时等待状态，一段时间后会自动恢复到运行状态。
5. 阻塞到运行：当线程等待的资源或条件满足时，它会从阻塞状态转换回运行状态。
6. 等待到运行：当其他线程调用了等待线程所在对象的notify()、notifyAll()方法时，等
待线程会从等待状态转换为运行状态。
7. 计时等待到运行：当计时等待时间到达时，线程会从计时等待状态转换为运行状态。
8. 运行到终止：线程完成了其run()方法的执行，或者由于异常或其他原因导致线程终止，会
使线程从运行状态转换为终止状态。
四. 线程同步与互斥
在Java中，多线程共享资源是指多个线程同时访问和操作同一个数据或资源。然而，当多个线程同时修改共享资源时，可能会导致竞态条件（Race Condition），即线程之间的执行顺序和时间差会影响程序的最终结果。竞态条件可能导致数据不一致、不稳定的程序行为甚至崩溃。为了避免竞态条件，需要采取适当的同步机制来保护共享资源。
下面是关于多线程的共享资源和竞态条件的重要内容：
1. 共享资源：
共享资源是多个线程可以同时访问的数据、对象或变量。这些资源可能是文件、数据库连接、计数器、集合等。
2. 竞态条件：
竞态条件是指多个线程并发访问共享资源，且执行顺序和时间差造成了不可预测的结果。典型的竞态条件场景包括计数器递增、数据读写操作等。
3. 解决竞态条件的方法：
synchronized关键字：通过对关键代码块使用synchronized来确保同一时间只有一个线程
可以访问共享资源，从而避免竞态条件。
ReentrantLock：与synchronized相似，提供了更多灵活的锁定机制，包括可中断、定时
等待等特性。
volatile关键字：用于保证变量的可见性，防止指令重排，但不能解决复合操作的竞态条件。
并发集合：如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，在内部实现中使用了合适
的同步机制来避免竞态条件。
原子类：urrent.atomic包提供了一系列的原子操作类，如
AtomicInteger、AtomicLong等，可以进行原子操作，避免竞态条件。
4. 锁：
锁是防止竞态条件的主要工具。通过锁定共享资源，只允许一个线程访问它，从而避免其他线程的干扰。然而，过度使用锁可能导致性能问题，因为线程间的竞争会导致阻塞。
5. 死锁：
死锁是多个线程因相互等待对方释放锁而无法继续执行的情况。要避免死锁，需要合理地规划锁的获取顺序，并确保及时释放锁。
6. 条件变量：
使用条件变量（Condition）可以在某个条件满足之前，让线程等待。Java中的wait()和
notify()方法就是用于实现条件变量，用于线程间的等待和通知。
7. 不可变对象：
使用不可变对象可以避免竞态条件，因为不可变对象的状态不会发生改变，不需要额外的同步操作。
8. 线程安全性：
类的线程安全性指的是在多线程环境下，该类的方法能够正确地执行而不需要额外的同步措施。
五. 线程间通信
1. wait() 和 notify() 方法
在Java中，wait()和notify()是用于实现线程间通信的方法，用于实现等待-通知机制，让线程在特定条件下等待或唤醒其他线程。这种机制通常用于多个线程之间协调工作或共享资源的情况。
以下是关于wait()和notify()方法的详细说明：
1. wait()方法：
wait()方法是Object类中的方法，因此所有的Java对象都可以调用它。
调用wait()方法会使当前线程进入等待状态，释放对象的锁，直到其他线程通过
notify()或notifyAll()方法来唤醒它。
wait()方法可以接受一个可选的超时参数，指定等待的最长时间。如果在超时之前未
被唤醒，线程会自动重新进入可运行状态。
2. notify()方法：
notify()方法也是Object类中的方法，用于唤醒一个等待在该对象上的线程。
调用notify()会通知等待队列中的一个线程，但不保证唤醒哪个线程。通常，被唤醒
的线程是等待时间最长的线程。
唤醒操作只是将线程从等待状态变为可运行状态，但不会立即释放锁。
3. notifyAll()方法：
notifyAll()方法也是Object类中的方法，用于唤醒等待在该对象上的所有线程。
调用notifyAll()会将所有等待的线程都从等待状态变为可运行状态，但同样不会立即
释放锁。
使用wait()和notify()时需要注意以下几点：
wait()和notify()方法只能在同步代码块或同步方法中使用，因为它们需要获取对象的
锁。
调用wait()方法后，线程会释放锁，允许其他线程进入同步代码块。

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