第1章

🚀 多线程编程概述

理解多线程编程的基本概念和重要性，掌握Java中多线程编程的基础知识

学习目标

什么是多线程

多线程（Multi-threading）是指在一个程序中同时运行多个线程，每个线程可以并发执行不同的任务。线程是程序执行的最小单位，是进程中的一个执行路径。与进程相比，线程更轻量级，创建和切换的开销更小。

核心概念

多线程编程的核心在于让程序能够同时处理多个任务，提高程序的并发性和响应性。

进程 vs 线程

进程（Process）
操作系统分配资源的基本单位，拥有独立的内存空间，进程间通信需要特殊机制。
线程（Thread）
程序执行的最小单位，同一进程内的线程共享内存空间，通信更加便捷。

并发 vs 并行

简单的多线程示例
public class SimpleThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建并启动第一个线程
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("线程1: " + i);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        
        // 创建并启动第二个线程
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("线程2: " + i);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        
        thread1.start();
        thread2.start();
        
        System.out.println("主线程继续执行");
    }
}

多线程的优势

多线程编程为现代软件开发带来了显著的优势，特别是在处理复杂任务和提升用户体验方面。

提高程序响应性
通过将耗时操作放在后台线程执行，主线程可以继续响应用户操作，避免界面卡顿。
充分利用CPU资源
在多核处理器上，多线程可以真正并行执行，充分利用硬件资源，提高程序性能。
改善用户体验
异步处理用户请求，避免长时间等待，提供更流畅的用户体验。
提高吞吐量
通过并发处理多个任务，可以显著提高系统的整体吞吐量。

实际应用场景

多线程的挑战

虽然多线程带来了诸多优势，但也引入了新的复杂性和挑战。理解这些挑战是编写高质量多线程程序的前提。

线程安全问题
  • 数据竞争（Race Condition）
  • 共享资源的并发访问
  • 原子性操作的保证
死锁问题
  • 多个线程相互等待资源
  • 循环依赖导致程序停滞
  • 资源分配策略的重要性
内存一致性
  • 缓存一致性问题
  • 指令重排序的影响
  • 可见性问题
调试困难
  • 并发bug难以重现
  • 时序相关的问题
  • 复杂的执行路径
重要提醒

多线程编程需要谨慎设计，不当的使用可能导致程序性能下降甚至出现严重的bug。

Java多线程模型

Java提供了丰富的多线程支持，从语言层面到虚拟机层面都有相应的机制来支持多线程编程。

JVM线程模型

线程映射
Java线程通常映射到操作系统的原生线程，由操作系统负责调度。
线程调度
JVM使用抢占式调度，线程的执行顺序由操作系统决定。
内存模型
Java内存模型定义了线程间如何通过内存进行交互。

线程创建方式

不同的线程创建方式
// 方式1：继承Thread类
class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("继承Thread类的方式");
    }
}

// 方式2：实现Runnable接口
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("实现Runnable接口的方式");
    }
}

// 方式3：实现Callable接口
class MyCallable implements Callable {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "实现Callable接口的方式";
    }
}

public class ThreadCreationExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用继承Thread类的方式
        new MyThread().start();
        
        // 使用实现Runnable接口的方式
        new Thread(new MyRunnable()).start();
        
        // 使用Lambda表达式
        new Thread(() -> {
            System.out.println("使用Lambda表达式");
        }).start();
    }
}

应用场景分析

了解多线程的典型应用场景有助于我们在实际开发中做出正确的技术选择。

Web服务器

每个HTTP请求由独立线程处理，提高并发处理能力。

  • Tomcat的线程池模型
  • Servlet的并发处理
  • 异步请求处理
GUI应用

分离UI线程和业务逻辑线程，保持界面响应。

  • Swing的事件分发线程
  • 后台任务处理
  • 进度条更新
数据处理

并行处理大量数据，提高处理效率。

  • 批量数据导入
  • 并行计算
  • MapReduce模式
游戏开发

分离游戏逻辑、渲染和音效处理。

  • 游戏主循环
  • 物理引擎计算
  • 网络通信
选择建议

并非所有场景都适合使用多线程。对于简单的顺序任务，单线程可能更简单高效。多线程适用于有明确并发需求的场景。

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