掌握Java多线程与并发编程-面试专用

2023-12-13 06:27:12

为什么学习多线程和并发编程

  • 多线程和并发编程在Java中占据着举足轻重的地位。在面试中,多线程几乎是必问的问题,因此掌握基础知识至关重要。在实际工作中,虽然直接编写多线程代码的机会并不多,但在高并发环境下理解并发的原理和问题是必要的。例如,当大量请求同时访问同一接口时,如果不了解并发可能会导致的问题,就可能遇到性能瓶颈甚至系统崩溃。

基础知识:进程与线程

  • 进程是资源分配的基本单位,是程序执行的一个实例。例如,一个运行中的应用程序就是一个进程。线程则是程序执行的最小单位,是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程,这些线程共享进程的资源。理解进程和线程的区别,对于深入理解Java多线程至关重要【82?source】。

多线程的实现方式

  • Java提供了三种实现多线程的方式:

1.继承Thread类并重写run()方法。这是最基础的多线程实现方式。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行逻辑
    }
}

2.实现Runnable接口。这种方式更灵活,允许线程类继承其他类。

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行逻辑
    }
}
new Thread(new MyRunnable()).start();

3.实现Callable接口。这种方式可以有返回值,通常与FutureTask配合使用。

class MyCallable implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() {
        // 线程执行逻辑,返回值
        return 123;
    }
}
FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new MyCallable());
new Thread(task).start();

线程的状态

线程有五种状态:新建、就绪、运行、阻塞和死亡。新建状态是指创建了线程对象但还未调用start()方法。调用start()方法后,线程进入就绪状态,等待CPU调度。运行状态是线程正在执行run()方法。阻塞状态指线程因某些原因放弃CPU使用权,暂时停止运行。最后,线程运行结束或因异常退出则进入死亡状态

Thread类的常用方法

Thread类提供了多线程编程的基础。它的常用方法包括:

  • start(): 启动一个新线程。
  • run(): 定义线程执行的操作。
  • sleep(): 让线程休眠一定时间。
  • join(): 等待线程执行完毕。
  • interrupt(): 中断线程。
  • isAlive(): 检查线程是否存活。
  • setDaemon(): 设置线程为守护线程。
  • setName()getName(): 设置和获取线程的名字。
  • setPriority()getPriority(): 设置和获取线程的优先级。
Thread t = new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
t.start();
t.join();

Java的同步机制

在Java中,同步是保证多线程安全的关键。其中volatile是一种轻量级的同步机制。它主要用于保证变量的可见性,即当一个线程修改了一个变量的值,其他线程能够立即看到这个修改。但是,volatile不保证操作的原子性。与synchronized(重量级锁)相比,volatile不会引起线程上下文的切换和调度,从而减少了开销。但是,它的同步性较差,且使用时容易出错??。

1.并发编程的核心概念

  • 并发编程的三个基本概念包括原子性、可见性和互斥性:
    • 原子性:指操作不可分割,完整性地执行,不会受到其他因素的干扰。
    • 可见性:指一个线程修改的变量的值,其他线程能够立即知晓。
    • 互斥性:通过锁来实现,确保同一时刻只有一个线程能访问特定资源??。

2.Java内存模型JMM

  • Java内存模型(Java Memory Model, JMM)规定了如何管理线程间的内存共享。JMM定义了线程和主内存之间的关系,线程的所有操作都必须在自己的工作内存中进行,而不能直接读写主内存。这个机制确定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见??。

3.volatile变量的特性

  • volatile变量具有以下特性:
    • 保证可见性,但不保证原子性。
    • 禁止指令重排,确保程序执行的顺序与代码的顺序相同。
  • volatile适用于一写多读的场景,但在某些场景下不适用,如不满足原子性的操作??。

4.Java中的锁

  • Java提供了多种锁机制来处理并发编程的问题,包括:
    • 乐观锁和悲观锁:

      • 乐观锁:它假设最好的情况,即不会有并发冲突,因此不会立即锁定资源。通常通过版本控制实现,如使用版本号或时间戳。如果在更新资源时检测到版本不匹配,表示资源已被其他线程修改,更新操作会失败。
      • 悲观锁:假设最坏的情况,即总是假定会发生冲突并立即锁定资源。传统的锁机制,如synchronizedReentrantLock,通常都是悲观锁的体现。
    • 独占锁和共享锁:

      • 独占锁:只允许一个线程持有锁,如ReentrantLock。其他线程必须等待该锁被释放。
      • 共享锁:允许多个线程同时持有锁。例如,ReadWriteLock的读锁是共享的,可以被多个读线程同时持有。
    • 互斥锁和读写锁:

      • 互斥锁:确保同一时间只有一个线程可以执行特定的代码段。
      • 读写锁:允许多个读操作同时进行,但写操作会独占锁。ReadWriteLock提供了读锁和写锁。
    • 公平锁和非公平锁:

      • 公平锁:按照线程请求锁的顺序来分配锁,如ReentrantLock在创建时可指定公平性。
      • 非公平锁:允许抢占,即新请求的线程可能会在排队的线程之前获得锁。
    • 可重入锁:

      • 又名递归锁,允许线程多次获得同一锁。ReentrantLocksynchronized都是可重入锁。
    • 自旋锁:

      • 线程在获取锁时,会循环检查锁是否可用,而不是立即进入阻塞状态。它避免了线程状态的切换带来的开销。
    • 分段锁:

      • 将数据分成不同的段,每段有自己的锁。通过这种方式,可以减少资源竞争,提高并发度。例如,在ConcurrentHashMap中使用。
    • 锁升级:

      • Java虚拟机中采用了锁升级的概念,包括无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁,根据竞争情况逐渐升级,以优化锁的性能。
    • 锁优化技术:

      • 包括锁粗化(将多次加锁解锁操作合并为一次,减少锁操作)和锁消除(JVM优化去掉不必要的锁)等技术,用于提升多线程程序的性能????。
  • 每种锁都有其特定的使用场景和优势,了解这些锁的不同可以帮助开发者更好地解决多线程中的同步问题??。

5.锁的优化技术

  • 锁的优化技术是提高多线程程序性能的重要手段。包括锁粗化(将多次锁请求合并为一次,减少锁的请求次数)和锁消除(JVM优化去掉不必要的锁)等。通过这些技术,可以减少锁的开销,提高程序的执行效率??。
  • 结论

  • 了解和掌握多线程和并发编程的原理及其在Java中的实现是开发高效、稳定Java应用程序的关键。通过深入学习线程的生命周期、同步机制以及Java内存模型,开发者可以更好地理解并发环境下的程序行为,

文章来源:https://blog.csdn.net/oWuChenHua/article/details/134902224
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