Java 多线程全文深度剖析

type

status

date

slug

summary

Java 多线程深度剖析与实战指南

一、前言

在 Java 的世界里，多线程编程一直是开发人员眼中既神秘又充满挑战的领域。从简单的线程创建与启动，到复杂的线程安全问题和性能优化，多线程编程贯穿了 Java 应用开发的始终。本文将深入浅出地剖析 Java 多线程的核心概念、原理和实战技巧。

二、多线程基础

（一）线程与进程

进程进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是操作系统动态执行的基本单元。在操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。例如，当你同时运行游戏和网易云音乐时，这两个程序分别对应着两个不同的进程。

线程线程是进程中的一个实体，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，如内存地址空间、文件句柄等。线程是独立调度和执行的最小单位。比如在 IDEA 中编写代码时，语法检查和自动保存功能就是多线程操作的体现。

（二）线程的生命周期

Java 中的线程有 6 种状态，分别是新建（NEW）、运行（RUNNABLE）、阻塞（BLOCKED）、等待（WAITING）、计时等待（TIMED_WAITING）和终止（TERMINATED）。其中，新建状态表示线程已被创建但尚未启动；运行状态表示线程正在 JVM 中执行；阻塞状态指线程被阻塞，无法获取锁；等待状态是线程在等待其他线程的通知；计时等待状态类似于等待状态，但有一个等待时间限制；终止状态表示线程已执行完毕。

（三）并发与并行

并发并发指的是多个线程共享同一资源，交替执行。例如在秒杀抢购活动中，多个用户同时对一个商品发起抢购请求，这些请求对应的线程就是并发执行的。

并行并行则指多项工作同时执行，之后再汇总结果。比如泡方便面时，电水壶烧水和撕调料倒入桶中这两个操作就可以并行进行。

（四）wait 与 sleep 的区别

waitwait() 是 Object 类的方法，调用该方法的线程会释放锁，进入等待状态，直到其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法通知它。

sleepsleep() 是 Thread 类的静态方法，调用该方法的线程在指定时间内暂停执行，但不会释放锁。

三、JUC（Java Util Concurrency）概述

JUC 是 JDK 5 引入的高并发工具类的集合，位于 java.util.concurrent 包下，主要包括锁、并发集合、并发工具类等，为解决多线程编程中的各种问题提供了强大的支持。

四、锁机制

（一）synchronized

synchronized 是 Java 内置的关键字，用于实现同步操作。它可以修饰方法、代码块等，其核心原理是利用 Java 中的每一个对象都可以作为锁。例如，对于普通同步方法，锁是当前实例对象；对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象；对于同步代码块，锁是括号里面配置的对象。以下是 synchronized 的一个案例：

（二）Lock 接口

Lock 接口是 JDK 5 引入的新的多线程锁，提供了比 synchronized 更加灵活的锁机制。ReentrantLock 是 Lock 接口的实现类，它支持可重入、可公平等多种锁机制。以下是 ReentrantLock 的一个案例：

与 synchronized 相比，Lock 有以下区别：

synchronized 是 Java 内置关键字，在 JVM 层面，Lock 是个 Java 类。

synchronized 无法判断是否获取锁的状态，Lock 可以判断是否获取到锁。

synchronized 会自动释放锁，Lock 需在 finally 中手工释放锁，否则容易造成线程死锁。

synchronized 的锁不可中断，Lock 的锁可中断。

synchronized 的锁是非公平的，Lock 的锁可公平可非公平。

五、创建线程的方式

在 Java 中，创建线程主要有以下几种方式：

继承 Thread 类

实现 Runnable 接口

使用 Lambda 表达式

使用 FutureTask 类

使用自定义线程池

六、线程间通信

（一）线程通信的方式

线程间通信主要通过生产者 - 消费者模式和通知等待唤醒机制来实现。生产者 - 消费者模式是一种典型的多线程协作模式，生产者负责生产数据，消费者负责消费数据。通知等待唤醒机制则是通过 wait()、notify() 和 notifyAll() 等方法来实现线程之间的通信。

（二）多线程编程模板

多线程编程模板主要包括判断、干活和通知三个步骤。以下是一个基于 synchronized 实现的线程间通信的案例：

在 JDK 8 中，还可以使用 Condition 来实现线程间通信，它提供了比 wait() 和 notify() 更加灵活的通信方式：

七、多线程锁

在多线程编程中，锁是实现线程安全的关键。以下是关于多线程锁的一些要点：

一个对象中的多个 synchronized 方法，某一时刻内只能有一个线程访问这些方法，因为锁的是当前对象 this。

静态同步方法的锁是当前类的 Class 对象。

普通同步方法与静态同步方法之间互不影响，因为它们使用的锁不同。

八、JUC 之集合

（一）集合中的不安全类

ListArrayList 在迭代时如果同时对其进行修改，会抛出 ConcurrentModificationException 异常。解决方法包括使用 Vector、Collections.synchronizedList 或 CopyOnWriteArrayList。

SetHashSet 是线程不安全的，可以使用 CopyOnWriteArraySet 来解决线程安全问题。

MapHashMap 也是线程不安全的，ConcurrentHashMap 则提供了线程安全的解决方案。

（二）CopyOnWriteArrayList 原理

CopyOnWriteArrayList 是基于写时复制（CopyOnWrite）机制的线程安全集合。它的核心原理是，在对集合进行写操作（如添加、删除等）时，不会直接修改原集合，而是先创建一个原集合的副本，在副本上进行修改操作，修改完成后，再将原集合的引用指向新的副本。这样，在整个写操作过程中，读操作可以不受影响地在原集合上进行，从而实现了读写分离，保证了线程安全。以下是 CopyOnWriteArrayList 的部分源码：

九、Callable 接口与 FutureTask 类

（一）Callable 接口

简介Callable 接口是 Java 5 引入的，它与 Runnable 接口类似，但比 Runnable 更强大。Callable 接口允许线程执行的任务返回一个结果，并且可以抛出异常。它只有一个方法 call()，该方法定义了线程执行的任务，可以返回一个结果，并且可以抛出受检异常。

与 Runnable 接口的区别

是否有返回值：Callable 的 call() 方法可以返回结果，而 Runnable 的 run() 方法没有返回值。

是否抛异常：Callable 的 call() 方法可以抛出受检异常，而 Runnable 的 run() 方法不能抛出受检异常。

落地方法不一样：Callable 的落地方法是 call()，而 Runnable 的落地方法是 run()。

（二）FutureTask 类

简介FutureTask 是 Java 5 引入的类，它实现了 RunnableFuture 接口，代表一个异步计算的任务。它提供了对异步任务的执行和结果获取的支持。你可以将 FutureTask 提交给线程池执行，也可以直接启动一个线程来执行它。

原理在主线程中需要执行比较耗时的操作时，但又不想阻塞主线程时，可以把这些作业交给 FutureTask 在后台完成。当主线程将来需要时，就可以通过 FutureTask 的 get() 方法获取后台作业的计算结果或者执行状态。get() 方法会阻塞，直到任务完成。以下是 FutureTask 的一个案例：

十、JUC 强大的辅助类

（一）CountDownLatch（减少计数）

原理CountDownLatch 是一个同步辅助类，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。它主要有两个方法，await() 和 countDown()。当一个或多个线程调用 await() 方法时，这些线程会阻塞。其他线程调用 countDown() 方法会将计数器减 1，当计数器的值变为 0 时，因 await() 方法阻塞的线程会被唤醒，继续执行。

案例实现

（二）CyclicBarrier（循环栅栏）

原理CyclicBarrier 是一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达一个共同的屏障点。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。线程进入屏障通过 CyclicBarrier 的 await() 方法。

案例实现

（三）Semaphore（信号灯）

原理Semaphore 是一个计数信号量，它可以控制同时访问特定资源的线程数量。在信号量上定义两种操作：acquire（获取）和 release（释放）。当一个线程调用 acquire 操作时，它要么通过成功获取信号量（信号量减 1），要么一直等下去，直到有线程释放信号量，或超时。release 操作实际上会将信号量的值加 1，然后唤醒等待的线程。信号量主要用于两个目的，一个是用于多个共享资源的互斥使用，另一个用于并发线程数的控制。

案例实现

（四）ReentrantReadWriteLock（读写锁）

实际案例 在缓存框架中，读写锁可以很好地控制缓存的读写操作。例如，当多个线程同时读取缓存时，可以允许多个线程同时进行读操作；而当有线程需要写入缓存时，只允许一个线程进行写操作，并且此时不允许其他线程进行读写操作。

案例实现

十一、BlockingQueue（阻塞队列）

（一）阻塞队列简介

阻塞队列是一种特殊的队列，当队列为空时，获取元素的线程会自动阻塞，直到有元素被添加到队列中；当队列已满时，添加元素的线列会自动阻塞，直到有元素被移出队列。Java 中的阻塞队列位于 java.util.concurrent.BlockingQueue 接口下，常见的实现类有 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue、SynchronousQueue、LinkedTransferQueue 和 LinkedBlockingDeque 等。

（二）核心方法介绍

阻塞队列的核心方法主要包括以下几类：

插入元素

offer(E e)：将元素插入队列，如果队列已满，返回 false。

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：将元素插入队列，在指定时间内等待插入成功，如果超时则返回 false。

put(E e)：将元素插入队列，如果队列已满，阻塞等待。

移除元素

poll()：移除队列中的头元素，如果队列为空，返回 null。

poll(long timeout, TimeUnit unit)：移除队列中的头元素，在指定时间内等待移除成功，如果超时则返回 null。

take()：移除队列中的头元素，如果队列为空，阻塞等待。

获取元素

peek()：获取队列中的头元素，但不移除它，如果队列为空，返回 null。

十二、线程池

（一）线程池的优点

降低资源消耗 通过重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的资源消耗。

提高响应速度 当任务到达时，任务可以不需要等待线程创建就能立即执行。

提高线程的可管理性 线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。

（二）线程池架构

Java 中的线程池是通过 Executor 框架实现的，该框架中用到了 Executor、Executors、ExecutorService、ThreadPoolExecutor 这几个类。以下是 JDK 默认的几种线程池创建方法：

newFixedThreadPool(int nThreads) 创建一个固定大小的线程池，线程池中的线程数量固定，所有任务都被放入一个无界任务队列中。当线程池中的线程都在执行任务时，新的任务会在队列中等待。

newSingleThreadExecutor() 创建一个单线程的线程池，该线程池只有一个线程，所有任务都被依次执行。

newCachedThreadPool() 创建一个大小不固定的线程池，线程池的大小可以动态增加。当线程空闲时间超过 60 秒时，线程会被自动回收。

（三）ThreadPoolExecutor 底层原理

ThreadPoolExecutor 是 Java 中线程池的核心实现类，它通过一组参数来控制线程池的行为。以下是 ThreadPoolExecutor 的构造方法：

其主要参数包括：

corePoolSize ：线程池中的常驻核心线程数。

maximumPoolSize ：线程池中能够容纳同时执行的最大线程数。

keepAliveTime ：多余的空闲线程的存活时间。

unit ：keepAliveTime 的单位。

workQueue ：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。

threadFactory ：生成线程池中工作线程的线程工厂。

handler ：拒绝策略，表示当队列满了，并且工作线程大于等于线程池的最大线程数时如何拒绝请求执行的 runnable 的策略。

（四）线程池的工作原理图

线程池的工作原理如下：

在创建了线程池后，开始等待请求。

当调用 execute() 方法添加一个请求任务时，线程池会做出如下判断：

如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务。

如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列。

如果这个时候队列满了且正在运行的线程数量还小于 maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务。

如果队列满了且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会启动饱和拒绝策略来执行。

当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。

当一个线程无事可做超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程会判断：如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。

（五）线程池的拒绝策略

JDK 内置了四种拒绝策略：

AbortPolicy（默认） ：直接抛出 RejectedExecutionException 异常阻止系统正常运行。

CallerRunsPolicy ：“调用者运行” 一种调节机制，该策略既不会抛弃任务，也不会抛出异常，而是将某些任务回退到调用者，从而降低新任务的流量。

DiscardOldestPolicy ：抛弃队列中等待最久的任务，然后把当前任务加入队列中尝试再次提交当前任务。

DiscardPolicy ：该策略默默地丢弃无法处理的任务，不予任何处理也不抛出异常。如果允许任务丢失，这是最好的一种策略。

（六）自定义线程池

可以使用 ThreadPoolExecutor 类来自定义线程池，以下是一个示例：

十三、总结

Java 多线程编程是 Java 开发中的核心技术之一，它涉及到线程基础、锁机制、线程间通信、并发工具类等多个方面的知识。通过深入理解多线程的核心原理，熟练掌握 JUC 包中的各类工具类和工具方法，结合线程池等技术，我们可以高效地解决各种复杂的并发问题，提升系统的性能和可靠性。在实际开发中，要根据具体的应用场景合理地选择和使用多线程技术，避免过度设计或滥用，从而实现高效、稳定的并发程序。