Java.lang与多线程实战：Thread类使用与线程安全策略

 # 1. Java.lang与多线程基础 Java.lang 是 Java 程序设计语言的基础包，包含了 Java 程序运行时的核心类，其中的 Object 类和 Thread 类是与多线程编程密切相关的两个基础类。多线程编程是指同时运行多个线程来执行多个任务，这可以显著提升程序处理复杂任务的能力，特别是对于那些可以分解为多个子任务的计算密集型或者I/O密集型操作。 ## 1.1 Java.lang包中的多线程支持 在 Java.lang 包中，有两个类直接支持多线程编程：Thread 和 Runnable。Thread 类代表了一个线程的实例，而 Runnable 是一个接口，规定了线程需要执行的 run 方法。通过实现 Runnable 接口并将其传递给 Thread 对象，可以让 Java 虚拟机管理线程的生命周期。 ```java class MyThread extends Thread { public void run() { // 线程执行的代码 } } class MyRunnable implements Runnable { public void run() { // 线程执行的代码 } } // 创建线程实例并启动线程 MyThread t = new MyThread(); t.start(); MyRunnable r = new MyRunnable(); Thread t2 = new Thread(r); t2.start(); ``` ## 1.2 Java.lang包中的线程同步机制 除了线程创建和执行的机制之外，Java.lang 包还提供了一些用于线程同步的机制，比如关键字 synchronized。synchronized 可以用来控制对共享资源的并发访问，保证同一时刻只有一个线程可以访问该资源。此外，volatile 关键字也用于指示变量是易变的，确保线程每次从主内存读取变量的值，而不是使用线程私有的变量副本。 ```java public class Counter { private volatile int count = 0; public synchronized void increment() { count++; } public synchronized int getCount() { return count; } } ``` 在上述代码中，increment 和 getCount 方法都使用了 synchronized 关键字，确保了 count 的访问是线程安全的。 通过掌握 Java.lang 中的多线程基础，我们可以构建出更复杂、高效的并发程序，为深入理解多线程编程奠定坚实的基础。在后续章节中，我们将详细探讨如何使用 Thread 类及其相关技巧，深入分析线程安全问题，并在实战案例中应用这些知识。 # 2. Thread类的核心使用技巧 在第二章中，我们将深入了解Java中Thread类的核心使用技巧。Thread是Java语言中用于处理多线程的基础类之一。掌握Thread类的使用，对于编写高效的多线程应用程序至关重要。本章将通过创建和启动线程、Thread类的常用方法与属性、以及线程的生命周期与中断机制这三个子章节，带你深入Thread类的核心特性。 ## 2.1 创建和启动线程 Thread类提供了两种主要的方式用于创建和启动线程：继承Thread类的方式和实现Runnable接口的方式。下面分别介绍这两种方法，并展示具体的实现示例。 ### 2.1.1 继承Thread类的方式 继承Thread类是创建线程最直接的方式。通过继承Thread类，您可以重写run方法来定义线程要执行的任务。以下是继承Thread类创建线程的基本步骤： ```java class MyThread extends Thread { @Override public void run() { System.out.println("线程执行的任务"); } } public class ThreadExample { public static void main(String[] args) { MyThread thread = new MyThread(); thread.start(); // 启动线程 } } ``` 在上述代码中，`MyThread` 类通过继承 `Thread` 类，并重写 `run` 方法来定义了线程的具体操作。`start` 方法的作用是调用底层平台相关的代码来创建一个新的线程，然后在新线程中调用 `MyThread` 对象的 `run` 方法。 ### 2.1.2 实现Runnable接口的方式 实现Runnable接口是另一种常见的创建线程的方式。这种方式更加灵活，因为它允许您继承其他类的同时，又可以实现多线程。以下是实现Runnable接口创建线程的基本步骤： ```java class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("线程执行的任务"); } } public class RunnableExample { public static void main(String[] args) { Thread thread = new Thread(new MyRunnable()); thread.start(); // 启动线程 } } ``` 在这个例子中，`MyRunnable` 类实现了 `Runnable` 接口，并在 `run` 方法中定义了线程的操作。然后通过 `Thread` 类的构造函数传入一个 `Runnable` 的实现，从而创建并启动线程。这种方式的好处是能够将任务与线程执行机制分离，使得代码更加清晰和灵活。 ## 2.2 Thread类的常用方法与属性 Thread类提供了一系列的常用方法和属性用于管理线程的执行状态、调整线程优先级等。本节将重点介绍线程状态的获取与控制、线程优先级的设置与调整这两个方面。 ### 2.2.1 线程状态的获取与控制 Thread类提供了一系列的常量用于表示线程的不同状态： - `NEW`：尚未启动的线程状态。 - `RUNNABLE`：运行中的线程状态。 - `BLOCKED`：线程阻塞等待监视器锁的状态。 - `WAITING`：无限期等待其他线程执行特定操作的状态。 - `TIMED_WAITING`：有时限等待其他线程执行操作的状态。 - `TERMINATED`：线程终止的状态。 获取线程状态可以通过调用`getState()`方法来实现，控制线程状态通常涉及到线程的暂停、恢复、停止等操作，例如： ```java Thread thread = new Thread(new MyRunnable()); thread.start(); // 在某些条件下，挂起当前线程执行 thread.suspend(); // 恢复被挂起的线程 thread.resume(); // 停止线程 thread.stop(); // 注意：Thread.stop()方法已过时，不建议使用 ``` ### 2.2.2 线程优先级的设置与调整 线程优先级通过Thread类中的`getPriority()`和`setPriority(int newPriority)`方法来获取和设置。优先级的范围是从1（最低优先级）到10（最高优先级）。默认情况下，每个线程的优先级都设置为`Thread.NORM_PRIORITY`，其值为5。 设置线程优先级可以帮助操作系统决定哪个线程可以优先被执行，但请注意，这并不意味着高优先级的线程会绝对优先执行。线程调度器会根据实际的平台依赖性来决定线程的调度。 ```java Thread thread = new Thread(new MyRunnable()); thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置为最高优先级 thread.start(); ``` ## 2.3 线程的生命周期与中断机制 理解线程的生命周期是管理多线程程序的重要一环，它帮助我们了解线程从创建到终止的全过程。此外，线程中断机制为线程提供了协调运行和终止运行的能力。 ### 2.3.1 理解线程的生命周期 Java线程的生命周期主要包含以下状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、超时等待（Timed Waiting）、终止（Terminated）。以下图示展示了线程生命周期中状态转换的过程： ```mermaid graph LR A[新建 New] -->|调用start()| B[就绪 Runnable] B -->|调度器调度| C[运行 Running] C -->|时间片耗尽| B C -->|IO操作或锁等待| D[阻塞 Blocked] C -->|等待其他线程通知| E[等待 Waiting] C -->|等待指定时间| F[超时等待 Timed Waiting] D -->|获取到锁或线程被中断| B E -->|接收到通知| B F -->|时间耗尽| B C -->|正常结束或被中断| G[终止 Terminated] ``` - **新建（New）**: 线程刚被创建，但还未启动时的状态。 - **就绪（Runnable）**: 线程准备好了，等待CPU调度执行。 - **运行（Running）**: 线程的指令正在执行的状态。 - **阻塞（Blocked）**: 线程因为某些原因放弃了CPU的执行权，暂时停止运行。 - **等待（Waiting）**: 线程进入到等待状态，等待其他线程执行特定操作。 - **超时等待（Timed Waiting）**: 线程处于等待状态，但等待时间有限。 - **终止（Terminated）**: 线程执行结束，生命周期终结。 ### 2.3.2 线程中断的正确处理方式 线程中断是多线程编程中一个重要的功能，允许一个线程通知另一个线程停止当前工作。线程中断的实现是通过Thread类中的中断机制来完成的。 当一个线程调用`interrupt()`方法时，线程的中断状态将被设置为`true`。线程可以定期检查中断状态，以决定是否需要停止运行。 ```java Thread thread = new Thread(() -> { while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { // 执行任务 } System.out.println("线程因中断而结束"); }); thread.start(); // 模拟中断线程 thread.interrupt(); ``` 在上述代码中，线程在运行时不断检查自己的中断状态。一旦被中断，则退出循环，线程执行结束。 需要注意的是，中断并不能直接停止线程，而是给线程发出一个中断信号。线程需要自己定期检查中断状态，并进行适当的处理。 以上内容对Thread类的核心使用技巧进行了详细的介绍。在掌握这些基础知识后，您将能够更加灵活和高效地管理Java中的多线程环境。在下一章中，我们将深入探讨线程安全问题及其解决方案。 # 3. 深入理解线程安全问题 线程安全是多线程编程中一个核心且复杂的议题。为确保数据在并发访问的情况下保持一致性和准确性，理解线程安全的概念、策略及其实现方式至关重要。 ## 3.1 线程安全的基本概念 ### 3.1.1 什么是线程安全 线程安全是指当多个线程访问某个类时，如果每个线程都可以获得正确的结果，那么这个类就是线程安全的。通常，在不加任何同步措施的情况下，多个线程同时操作同一个资源可能会引发数据不一致的问题。因此，确保线程安全是多线程编程中的一个关键任务。 ### 3.1.2 线程安全问题的表现 线程安全问题通常在多个线程同时访问共享资源时表现出来。例如，如果两个线程同时向同一个银行账户存款，不正确的线程安全控制可能会导致最终账户的存款金额少于实际存款总和。为了防止此类问题的发生，可以采取多种线程安全策略。 ## 3.2