基本线程机制及并发编程

线程在计算机编程中扮演着至关重要的角色。通过创建和管理线程，程序能够同时执行多项任务，提升效率。在本章中，我们将探索线程的基础机制，了解如何在Java中实现任务调度以及如何处理共享资源的竞争与死锁问题。

定义任务

线程可以通过Runnable接口定义任务，实现run()方法即可。Runnable对象可以随时由Thread类或Executor服务运行。例如，LiftOff类通过实现Runnable接口，定义了一个倒计时任务：

class LiftOff implements Runnable {    protected int countDown = 10;    private static int taskCount = 0;    private final int id = taskCount++;    @Override    public void run() {        System.out.println("Thread:" + Thread.currentThread());        while (countDown > 0) {            System.out.println(status());        }    }    private String status() {        return "#" + id + "(" + countDown + ")" + " ";    }}

Thread类

Thread类是Java中线程的核心，它通过构造器接受一个Runnable对象。调用start()方法启动线程运行，自动调用Runnable的run()方法。例如，使用BasicThreads类创建并启动线程：

class BasicThreads {    public static void chapter21_2() {        System.out.println("BasicThreads:" + Thread.currentThread());        Thread t = new Thread(new LiftOff());        t.start();    }}

Executor服务

在java.util.concurrent包中，Executor服务提供了更高级的线程管理功能。CachedThreadPool默认创建新的线程执行任务，与FternalThread和SingleThreadExecutor形成了不同策略的选择。

class CachedThreadPool {    public static void chapter21_2() {        System.out.println("CachedThreadPool:" + Thread.currentThread());        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        for (int i = 0; i < 3; i++) {            executorService.execute(new LiftOff());        }        executorService.shutdown();    }}

任务返回值

若任务完成后需返回值，可以实现Callable接口。Callable支持异步计算，通过Future获取结果。

class CallableDemo {    public static void chapter21_2() {        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        ArrayList
   
    
     > results = new ArrayList<>();        for (int i = 0; i < 3; i++) {            results.add(executorService.submit(new TaskWithResult(i)));        }        for (Future
     
       fs : results) {            try {                System.out.println(fs.get());            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {                e.printStackTrace();            }        }    }}

共享资源的竞争与互斥

在多线程环境下，共享资源可能引发竞争，导致逻辑错误。通过synchronize关键字实现方法同步，确保一种线程一定在执行时占据资源。例如，SynchronizedEvenGenerator确保多个线程仅按顺序访问资源。

abstract class IntGenerator {    public abstract int next();}class SynchronizedEvenGenerator extends IntGenerator {    private int currentValue = 0;    @Override    public synchronized int next() {        currentValue++;        currentValue++;        return currentValue;    }}

Thread中的等待与通知

线程间通过wait()与notify()方法进行等待与唤醒。wait()使线程挂起，直到notify()或notifyAll()被调用。例如，在WaxOMatic中，WaxOn和WaxOff任务通过condition实现等待与唤醒。

class WaxOMatic {    public static void chapter21_5() {        Car car = new Car();        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        executorService.execute(new WaxOff(car));        executorService.execute(new WaxOn(car));        try {            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        executorService.shutdownNow();    }}

Deadlock 死锁处理

正確解決哲學家問題，需调整拿取顺序。如FixedDiningPhilosophers，让最后一个哲学家先拿左筷子，解决死锁。

class FixedDiningPhilosophers {    public static void chapter21_6() throws InterruptedException {        int ponder = 3;        int size = 2;        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        Chopstick[] chopsticks = new Chopstick[size];        for (int i = 0; i < size; i++) {            Chopstick chopstick = new Chopstick();            Chopsticks[i] = chopstick;        }        for (int i = 0; i < size; i++) {            Runnable run = () -> {                try {                    while (!Thread.interrupted()) {                        right.take();                        left.take();                    }                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                System.out.println("philosopher " + i + " done");            };            executorService.execute(run);        }        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);        for (int i = 0; i < size; i++) {            Chopstick left = Chopsticks[i];            Chopstick right = Chopsticks[(i + 1) % size];            left.drop();            right.drop();        }    }}

性能优化与可扩展性

通过比较Lock与Synchronized的性能差异，选择合适的互斥机制。同时，利用ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList等高效容器，确保线程安全与性能并存。

class ConcurrentHashMapExample {    public static void chapter21_9() {        ConcurrentHashMap
   
     map = new ConcurrentHashMap();        map.put("key1", 100);        map.put("key2", 200);        System.out.println(map.get("key1"));//100          System.out.println(map.size());//2        map Put "key3", 300        map remove"key1", 200        map.get("key1")//200        System.out.println(map.size())//3    }}

未来任务

通过ActiveObjectDemo展示活动对象的特点，实现任务的串行化与资源管理。这种模式允许任务在多线程环境下无缝衔接，提升整体效率。

class ActiveObjectDemo {    private ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();    public Future
   
     calculateInt(int x, int y) {        return executorService.submit(() -> {            System.out.println("starting " + x + " + " + y);            try {                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);                return x + y;            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        });    }    public void shutdown() {        executorService.shutdown();    }}

通过以上方法和实例，可以全面理解线程机制，掌握解决多线程编程问题的关键策略。

转载地址：http://okdgz.baihongyu.com/

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