全面详解Java并发编程：从基础到高级应用

Java并发编程是Java开发中一个非常重要的领域，涉及多线程编程技术，用于提高程序的性能和响应能力。并发编程在多核处理器上特别有用，因为它可以同时执行多个任务，从而提高应用程序的效率。以下是对Java并发编程的详细讲解，涵盖基本概念、线程管理、同步机制、高级并发工具和最佳实践。

1. 基本概念

1.1 进程和线程

进程：是程序在操作系统中的一次执行实例。每个进程都有独立的内存空间。
线程：是进程中的一个执行路径。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间。

1.2 多线程

多线程允许程序并发执行多个任务，适用于需要处理多个独立任务的场景，如服务器处理多个客户端请求。

2. 线程管理

2.1 创建线程

在Java中，可以通过以下三种方式创建线程：

a. 继承Thread类：

public class MyThread extends Thread {public void run() {System.out.println("Thread is running");}public static void main(String[] args) {MyThread thread = new MyThread();thread.start();}
}

b. 实现Runnable接口：

public class MyRunnable implements Runnable {public void run() {System.out.println("Thread is running");}public static void main(String[] args) {Thread thread = new Thread(new MyRunnable());thread.start();}
}

c. 实现Callable接口并使用FutureTask：

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;public class MyCallable implements Callable<String> {public String call() throws Exception {return "Thread is running";}public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {MyCallable callable = new MyCallable();FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(callable);Thread thread = new Thread(futureTask);thread.start();System.out.println(futureTask.get());}
}

2.2 线程的生命周期

线程的生命周期包括以下几个状态：

新建（New）：线程对象被创建，但未启动。
就绪（Runnable）：线程已经启动并等待CPU时间片。
运行（Running）：线程正在执行代码。
阻塞（Blocked）：线程因等待资源而暂停执行。
死亡（Terminated）：线程执行完毕或因异常退出。

3. 同步机制

为了防止多个线程同时访问共享资源而引起的数据不一致问题，Java提供了同步机制。

3.1 同步方法和同步块

同步方法：

public synchronized void synchronizedMethod() {// critical section
}

同步块：

public void synchronizedBlock() {synchronized (this) {// critical section}
}

想深入学习Synchronized，请参考：深入解析 Java 中的 Synchronized：原理、实现与性能优化

3.2 volatile关键字

volatile关键字用于确保变量的可见性，即当一个线程修改变量值时，其他线程立即看到最新的值。

private volatile boolean flag = true;

想深入学习volatile关键字，请参考：深入理解java中的volatile关键字

3.3 显式锁（ReentrantLock）

ReentrantLock提供了更高级的同步特性，如公平锁、可中断锁等。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class MyLock {private final Lock lock = new ReentrantLock();public void perform() {lock.lock();try {// critical section} finally {lock.unlock();}}
}

4. 高级并发工具

Java的java.util.concurrent包提供了丰富的并发工具类。

4.1 Executor框架

Executor框架用于管理线程池和执行任务，主要接口和类有ExecutorService、Executors和ThreadPoolExecutor。import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class MyExecutor {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);for (int i = 0; i < 10; i++) {executor.submit(() -> {System.out.println("Task is running");});}executor.shutdown();}
}

4.2 并发集合

并发集合类提供了线程安全的集合，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class MyConcurrentMap {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();map.put("key", "value");System.out.println(map.get("key"));}
}

4.3 并发工具类

java.util.concurrent包还提供了许多其他并发工具类，如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Exchanger等。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class MyCountDownLatch {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {System.out.println("Task completed");latch.countDown();}).start();}latch.await();System.out.println("All tasks completed");}
}