深入理解Java并发编程
2023-08-15 09:29:07 0 举报AI智能生成
并发编程学习思路,由浅入深
作者其他创作
大纲/内容
Java并发编程概述
Java并发编程的概念和原理
概念
并发
并行
线程
进程
共享资源
互斥
同步
死锁
原理
线程安全
原子性
可见性
有序性
并发编程模型
多线程模型
线程池模型
并发编程的问题
竞态条件
死锁
活锁
饥饿
上下文切换
并发编程的解决方案
锁机制
悲观锁
乐观锁
线程安全的集合类
原子类
同步工具类
CountDownLatch
CyclicBarrier
Semaphore
Mutex
线程池
FixedThreadPool
CachedThreadPool
ScheduledThreadPool
SingleThreadExecutor
参考资料
《Java并发编程实战》
《Java并发编程的艺术》
《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》
《Java并发编程：核心方法与框架》
《Java并发编程》
Java并发编程的优势和应用场景
优势
1. 提高程序的性能和响应速度
2. 充分利用多核处理器的优势
3. 提高系统的吞吐量和并发能力
4. 改善用户体验，增加系统的可用性和稳定性
5. 简化编程模型，提高开发效率
应用场景
1. Web服务器和应用服务器
2. 数据库系统
3. 并行计算和分布式系统
4. 多线程网络编程
5. 图像和视频处理
6. 游戏开发
7. 大数据处理和分析
8. 实时系统和嵌入式系统
参考资料
1. Java并发编程实战（Brian Goetz等著）
2. Java并发编程的艺术（李智慧等著）
3. Java并发编程指南（Doug Lea等著）
4. Java并发编程实践（Tim Peierls等著）
5. Java并发编程原理与实践（魏鹏等著）
Java并发编程基础
Java线程的创建和启动
创建线程的方式
1. 继承Thread类
a. 自定义一个类继承Thread类
b.重写run()方法，定义线程要执行的任务
c. 创建线程对象，调用start()方法启动线程
2. 实现Runnable接口
a. 自定义一个类实现Runnable接口
b. 实现run()方法，定义线程要执行的任务
c. 创建线程对象，传入实现了Runnable接口的类对象
d. 调用start()方法启动线程
启动线程
1. 调用线程对象的start()方法
a. JVM调用线程的run()方法
b. 线程进入就绪状态
c. 线程调度器选择一个线程执行
注意事项
1.一个线程对象只能调用一次start()方法，否则会抛出IllegalThreadStateException异常
2. 线程的执行顺序由线程调度器决定，无法控制
3. 可以使用Thread.sleep()方法让线程进入阻塞状态，模拟耗时操作
4. 可以使用Thread类的join()方法，等待其他线程执行完毕再继续执行当前线程
示例代码```java// 继承Thread类创建线程class MyThread extends Thread {
public void run() {
// 线程要执行的任务 }
}
// 实现Runnable接口创建线程class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// 线程要执行的任务 }
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程对象 MyThread thread1 = new MyThread();
// 启动线程 thread1.start();
// 创建线程对象 MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread thread2 = new Thread(runnable);
// 启动线程 thread2.start();
}
}
```
参考资料
1. Java多线程编程：https://www.runoob.com/java/java-multithreading.html
2. Java线程的创建和启动：https://www.cnblogs.com/chenpi/p/5891443.html
Java线程的同步和互斥
同步
概念
多个线程按照一定的顺序执行，保证数据的一致性和正确性。
互斥
多个线程访问共享资源时，同一时间只允许一个线程进行访问。
实现同步的方法
synchronized关键字
同步代码块
同步方法
Lock接口
ReentrantLock类
可重入锁
公平锁和非公平锁
条件变量
互斥
概念
多个线程在同一时间只能有一个线程执行临界区代码。
实现互斥的方法
synchronized关键字
Lock接口
ReentrantLock类
可重入锁
公平锁和非公平锁
条件变量
总结
同步和互斥是多线程编程中重要的概念。
同步保证了数据的一致性和正确性，互斥保证了共享资源的安全访问。
Java中可以使用synchronized关键字和Lock接口实现同步和互斥。
Lock接口的实现类ReentrantLock提供了更灵活的控制和条件变量的支持。
输出结果：
Java线程的同步和互斥.txt
Java线程的通信和协作
线程通信
概述
线程通信的目的和意义
线程通信的方式
等待和通知机制
wait()方法和notify()方法
使用wait()和notify()实现线程的协作
使用wait()和notifyAll()方法
管道输入/输出流
PipedInputStream类和PipedOutputStream类
PipedReader类和PipedWriter类
线程间的数据共享
共享变量
使用synchronized关键字实现线程同步
使用Lock和Condition接口实现线程同步
线程协作
概述
线程协作的目的和意义
线程协作的方式
线程的join()方法
使用join()方法实现线程的协作
线程的yield()方法
使用yield()方法实现线程的协作
线程的sleep()方法
使用sleep()方法实现线程的协作
线程的interrupt()方法
使用interrupt()方法实现线程的协作
线程的守护线程
使用守护线程实现线程的协作
线程的优先级
使用线程优先级实现线程的协作
线程的状态转换
线程的状态及状态转换示意图
总结将上述内容整理为txt格式输出如下：
Java线程的通信和协作
线程通信
概述
线程通信的目的和意义
线程通信的方式
等待和通知机制
wait()方法和notify()方法
使用wait()和notify()实现线程的协作
使用wait()和notifyAll()方法
管道输入/输出流
PipedInputStream类和PipedOutputStream类
PipedReader类和PipedWriter类
线程间的数据共享
共享变量
使用synchronized关键字实现线程同步
使用Lock和Condition接口实现线程同步
线程协作
概述
线程协作的目的和意义
线程协作的方式
线程的join()方法
使用join()方法实现线程的协作
线程的yield()方法
使用yield()方法实现线程的协作
线程的sleep()方法
使用sleep()方法实现线程的协作
线程的interrupt()方法
使用interrupt()方法实现线程的协作
线程的守护线程
使用守护线程实现线程的协作
线程的优先级
使用线程优先级实现线程的协作
线程的状态转换
线程的状态及状态转换示意图
总结
Java并发编程进阶
Java线程池的使用和原理
使用
1. 创建线程池
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, TimeUnit, BlockingQueue);
2. 提交任务
threadPool.execute(Runnable);
3. 关闭线程池
threadPool.shutdown();
原理
1. 核心参数
核心线程数：线程池中保持活动状态的线程数
最大线程数：线程池中允许的最大线程数
线程存活时间：当线程池中线程数量超过核心线程数时，多余的空闲线程在被终止之前等待新任务的最长时间
时间单位：线程存活时间的单位
阻塞队列：用于存放等待执行的任务
2. 线程池的工作流程
2.1 当线程池中的线程数小于核心线程数时，新任务会创建一个新线程来执行
2.2 当线程池中的线程数达到核心线程数时，新任务会被放入阻塞队列中等待执行
2.3 当阻塞队列已满且线程池中的线程数小于最大线程数时，新任务会创建一个新线程来执行
2.4 当阻塞队列已满且线程池中的线程数达到最大线程数时，新任务由RejectedExecutionHandler处理
2.5 当线程池中的线程数大于核心线程数且线程空闲时间超过存活时间时，多余的空闲线程会被终止
3. 线程池的拒绝策略
3.1 AbortPolicy：默认的拒绝策略，直接抛出RejectedExecutionException异常
3.2 CallerRunsPolicy：在调用者线程中直接执行被拒绝的任务
3.3 DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中最旧的任务，然后尝试提交新的任务
3.4 DiscardPolicy：直接丢弃被拒绝的任务，不抛出任何异常
4. 线程池的状态
4.1 RUNNING：线程池处于运行状态，接受新任务并处理阻塞队列中的任务
4.2 SHUTDOWN：线程池处于关闭状态，不接受新任务，但会处理阻塞队列中的任务
4.3 STOP：线程池处于停止状态，不接受新任务，也不处理阻塞队列中的任务，会中断正在执行的任务
4.4 TIDYING：线程池正在关闭，所有任务已经完成，线程池将转换为TERMINATED状态
4.5 TERMINATED：线程池已经终止，不再处理任何任务
5. 线程池的优势
5.1重用线程：避免频繁创建和销毁线程，提高性能
5.2 控制并发数：通过核心线程数和阻塞队列大小控制并发线程数，避免资源耗尽
5.3 管理线程：提供对线程的管理和监控功能，如线程池状态、线程执行情况等
6. 线程池的适用场景
6.1任务量大且耗时较长的场景，如网络请求、IO操作等
6.2 需要限制并发线程数的场景，如数据库连接池、线程限流等
Java并发集合类的使用和原理
Java并发集合类
ConcurrentHashMap
使用
创建ConcurrentHashMap对象
ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
添加元素
map.put("key", value);
获取元素
Integer value = map.get("key");
删除元素
map.remove("key");
遍历元素
for (String key : map.keySet()) {
Integer value = map.get(key);
// 处理元素
}
原理
分段锁
ConcurrentHashMap将数据分成多个段（Segment），每个段都有自己的锁。
只要不同的线程在不同的段上操作，就可以实现并发访问。
每个段的默认大小为16，可以通过构造函数指定段的数量。
每个段内部使用ReentrantLock实现锁。
CopyOnWriteArrayList
使用
创建CopyOnWriteArrayList对象
CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList<>();
添加元素
list.add("element");
获取元素
String element = list.get(index);
删除元素
list.remove(index);
遍历元素
for (String element : list) {
// 处理元素
}
原理
写时复制
在对CopyOnWriteArrayList进行修改操作时，会创建一个新的数组，将旧数组的元素复制到新数组中。
这样可以保证修改操作不会影响到读操作，读操作可以并发进行。
因为每次修改都会复制整个数组，所以修改操作的性能较低，适用于读多写少的场景。
ConcurrentLinkedQueue
使用
创建ConcurrentLinkedQueue对象
ConcurrentLinkedQueue queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
添加元素
queue.offer("element");
获取并移除队列头部元素
String element = queue.poll();
获取队列头部元素
String element = queue.peek();
原理
无锁算法
ConcurrentLinkedQueue使用无锁算法实现并发访问。
它的内部使用CAS（Compare and Swap）操作来保证多线程安全。
CAS操作是一种乐观锁机制，不会阻塞线程，而是通过自旋重试来保证操作的原子性。
ConcurrentSkipListSet
使用
创建ConcurrentSkipListSet对象
ConcurrentSkipListSet set = new ConcurrentSkipListSet<>();
添加元素
set.add("element");
删除元素
set.remove("element");
判断元素是否存在
boolean contains = set.contains("element");
获取迭代器
Iterator iterator = set.iterator();
遍历元素
while (iterator.hasNext()) {
String element = iterator.next();
// 处理元素
}
原理
跳表
ConcurrentSkipListSet使用跳表（Skip List）实现有序集合。
跳表是一种基于链表的数据结构，可以支持快速的插入、删除和查找操作。
它通过添加多级索引来加速查找，每一级索引的元素数量逐渐减少。
在并发访问时，ConcurrentSkipListSet使用类似于ConcurrentHashMap的分段锁机制来保证线程安全。
总结
Java提供了多种并发集合类，用于在多线程环境下安全地访问和修改集合数据。
每种并发集合类都有自己的使用方法和原理，根据实际需求选择合适的集合类。
并发集合类的原理涉及到分段锁、写时复制、无锁算法和跳表等技
Java锁的分类和使用场景
-互斥锁
-- 可重入锁
--- synchronized关键字
--- ReentrantLock类
-- 独占锁
--- synchronized关键字
--- ReentrantLock类
- 共享锁
--读写锁
--- ReentrantReadWriteLock类
-乐观锁
-- CAS（Compare and Swap）机制
-- Atomic类
- 自旋锁
-- 循环等待锁释放
-- 避免线程切换带来的性能损耗
- 偏向锁
--适用于只有一个线程访问同步块的场景
-- 减少无竞争情况下的同步操作
- 锁的使用场景
--互斥锁
---适用于临界区资源的互斥访问
--- 避免多个线程同时修改共享数据导致数据不一致
--读写锁
---适用于读多写少的场景
--- 多个线程可以同时读取共享数据，提高并发性能
--乐观锁
---适用于读多写多的场景
--- 避免加锁带来的性能损耗，通过CAS机制实现并发控制
-- 自旋锁
Java原子操作的使用和原理
原子操作介绍
原子操作的定义
原子操作的特点
Java原子操作的使用
原子操作类的导入
原子操作的创建和初始化
原子操作的常用方法
Java原子操作的原理
原子操作的底层实现
原子操作的线程安全性
原子操作的性能优化
参考资料
Java官方文档
《Java并发编程实战》
《深入理解Java虚拟机》
《Java并发编程的艺术》
博客文章和技术论坛
备注
思维导图制作时间：2022年10月10日
制作人：AI助手
Java并发编程中的性能优化
- 并发编程基础
--《Java并发编程实战》
--《Java并发编程的艺术》
--《深入理解Java并发编程》
- 并发编程工具
--《Java并发编程的艺术》
--《Java并发编程实战》
--《Java并发编程高级篇》
- 锁优化
--《Java并发编程的艺术》
--《深入理解Java并发编程》
- 线程池优化
--《Java并发编程实战》
--《Java并发编程的艺术》
--《深入理解Java并发编程》
- 并发数据结构
--《Java并发编程实战》
--《Java并发编程的艺术》
--《深入理解Java并发编程》
- JVM调优
--《深入理解Java虚拟机》
--《Java性能优化权威指南》
--《Java并发编程的艺术》
- 性能测试工具
--《Java并发编程实战》
--《Java性能优化权威指南》
Java并发编程实践
Java并发编程的常见问题和解决方案
问题1：线程安全性问题
解决方案1：使用同步机制（synchronized关键字、Lock接口）
解决方案2：使用原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean等）
解决方案3：使用线程安全的集合类（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等）
问题2：死锁问题
解决方案1：避免嵌套锁
解决方案2：按照固定的顺序获取锁
解决方案3：使用定时锁（tryLock方法）
问题3：线程间通信问题
解决方案1：使用wait()和notify()/notifyAll()方法
解决方案2：使用Lock和Condition接口
问题4：线程执行顺序问题
解决方案1：使用join()方法
解决方案2：使用CountDownLatch类
解决方案3：使用CyclicBarrier类
问题5：性能问题
解决方案1：使用线程池（ThreadPoolExecutor类）
解决方案2：使用并发容器（ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentHashMap等）
解决方案3：使用原子类和无锁算法
问题6：资源竞争问题
解决方案1：使用读写锁（ReentrantReadWriteLock类）
解决方案2：使用分段锁（ConcurrentHashMap的分段锁）
解决方案3：使用乐观锁（AtomicStampedReference类）
问题7：线程间共享数据问题
解决方案1：使用ThreadLocal类
解决方案2：使用线程安全的集合类
解决方案3：使用volatile关键字
问题8：线程池问题
解决方案1：合理配置线程池参数
解决方案2：使用有界队列
解决方案3：使用拒绝策略
问题9：线程中断问题
解决方案1：使用interrupt()方法
解决方案2：使用isInterrupted()方法
解决方案3：使用Thread.interrupted()方法
问题10：线程安全性检查问题
解决方案1：使用工具类（FindBugs、CheckThread等）
解决方案2：使用并发编程规范
问题11：线程调度问题
解决方案1：使用yield()方法
解决方案2：使用sleep()方法
解决方案3：使用LockSupport类
问题12：线程阻塞问题
解决方案1：使用Lock和Condition接口
解决方案2：使用Semaphore类
解决方案3：使用阻塞队列（BlockingQueue接口）
问题13：线程饥饿问题
解决方案1：使用公平锁
解决方案2：使用优先级队列
解决方案3：使用信号量
问题14：线程安全性测试问题
解决方案1：使用多线程测试工具（JMH、JUnit等）
解决方案2：使用性能分析工具（VisualVM、JProfiler等）
解决方案3：使用并发测试框架（ConcurrentUnit、MultithreadedTC等）
Java并发编程的调试和排查技巧
调试技巧
基本调试技巧
使用断点进行调试
打印日志信息
使用调试工具
高级调试技巧
使用条件断点
使用追踪记录功能
使用性能分析工具
排查技巧
基本排查技巧
查看日志文件
检查代码逻辑
排查死锁问题
高级排查技巧
使用线程转储工具
使用性能分析工具
使用监控工具
Java并发编程的最佳实践和经验总结
并发编程基础
并发编程概述
什么是并发编程
为什么需要并发编程
并发编程的挑战
并发编程基本概念
线程和进程的区别
并发和并行的区别
共享资源和临界区
原子操作和并发问题
锁和同步
并发编程模型
线程和Runnable接口
创建线程的两种方式
线程生命周期
线程的状态和转换
线程的优先级和调度
线程的同步和通信
线程池的使用
线程的异常处理
并发集合类
线程安全的集合类
并发集合类的使用
CopyOnWrite容器
ConcurrentHashMap
BlockingQueue和ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentSkipList
并发编程常见问题和解决方案
线程安全问题
可变对象和不可变对象
线程安全的类和方法
线程安全的容器
线程安全的算法和模式
线程安全的单例模式
线程通信问题
等待和通知机制
管程和条件变量
信号量和屏障
CountDownLatch和CyclicBarrier
Future和Callable
ThreadLocal的使用
并发编程性能优化
减少锁竞争
锁的粒度和范围
锁的选择和使用
减少锁的持有时间
避免死锁和活锁
提高并发度
并行和并发的选择
任务分解和负载均衡
无锁数据结构和算法
CAS和乐观锁
减少上下文切换
减少线程数量
使用线程池
使用Fork/Join框架
使用异步编程
并发编程工具和框架
并发编程工具
synchronized和volatile关键字
Lock和Condition接口
Semaphore和Exchanger
Atomic包
ThreadLocalRandom和ForkJoinPool
并发编程框架
Java.util.concurrent包
Akka框架
Disruptor框架
Hadoop和Spark
Netty框架
并发编程模式
并发编程库
并发编程测试和调试
并发编程的测试方法
线程安全测试
性能测试和压力测试
多线程调试工具
死锁和活锁的排查
并发编程的调优方法
并发编程最佳实践
编写线程安全的代码
避免共享可变状态
使用线程安全的类和方法
使用并发集合类
使用不可变对象
使用同步和锁机制
提高并发性能
减少锁竞争
提高并发度
减少上下文切换
使用并发编程框架和工具
编写可靠的并发代码
处理线程安全问题
处理线程通信问题
处理并发异常和错误
处理并发性能问题
处理并发测试和调试
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