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Java 线程入门指南

线程是现代操作系统和Java编程中的核心概念。了解线程的基础知识对于掌握并发编程至关重要。本文将从线程的基本概念开始，逐步走向高级主题，帮助读者全面理解Java线程机制。

一、基石：进程与线程

什么是进程？

• 进程：是系统资源分配和调度的基本单位。每一个正在运行的程序或应用都可以看作是由多个进程组成的，进程独立运行，共享操作系统提供的资源，如内存、文件、网络等。

• 线程：是进程中执行任务的路径。一个进程至少有一个线程，它们共享进程的资源，如堆内存、方法区等。线程是CPU资源分配的基本单元，因为CPU每次只向一个线程分配执行权。

Java进程与线程的关系

• Java程序启动时，首先是JVM进程。main方法的主线程属于JVM进程的一个线程，通常被称为主线程。

• 一个进程中的多个线程可以共享进程资源，但每个线程有自己的程序计数器和执行栈。

为什么理解线程很重要？

• 线程是并发编程的基础。在多核CPU时代，线程轮流占用CPU，从而充分利用CPU资源。

二、创建线程的三种方式

在Java中创建线程有三种主要方式，每种方式适用于不同的场景。

1. 继承 Thread 类

• 优点：简单易用，直接继承Thread类并重写run()方法即可。

• 示例：

  public class MyThread extends Thread {    @Override    public void run() {        System.out.println("这是一个子线程");    }}public static void main(String[] args) {    MyThread thread = new MyThread();    thread.start(); // 启动线程}

2. 实现 Runnable 接口

• 优点：代码更干净，线程逻辑和业务逻辑分离。

• 示例：

  public class RunnableTask implements Runnable {    @Override    public void run() {        System.out.println("我是一 runnable 线程");    }public static void main(String[] args) {    RunnableTask task = new RunnableTask();    new Thread(task).start();}

3. 实现 Callable 接口

• 特点：支持返回值和异常。

• 示例：

  public class CallerTask implements Callable
       
         {    @Override    public String call() throws Exception {        return "任务完成";    }public static void main(String[] args) {    FutureTask
        
          task = new FutureTask<>(new CallerTask());    new Thread(task).start();    try {        String result = task.get(); // 等待线程完成        System.out.println(result);    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {        e.printStackTrace();    }}
        
       

因为线程创建方式的选择影响性能，可以根据具体需求选择最合适的方式。

三、线程的等待与通知

线程之间的等待与通知至关重要，尤其在多线程程序中完成复杂任务时。

线程等待的方法

• wait()：挂起当前线程，直到接收到通知或中断。
• wait(long timeout)：在指定时间内挂起线程。
• wait(long timeout, int nanos)：混合使用超时和纳秒时间。

唤醒线程的方法

• notify()：唤醒一个处于等待状态的线程。
• notifyAll()：唤醒所有等待该共享对象的线程。

使用场景：比如多个线程加载资源后，等待所有线程完成再进行汇总处理，可以用**join()**方法。

线程休眠

• sleep()：让当前线程暂时退出CPU，让出执行权，但不会释放锁或其他资源。

优先级调整

• yield()：让当前线程让出CPU，线程调度器可以选择其他高优先级线程继续执行。

中断线程

• 线程中断是一种协作机制。发送中断信号后，线程可以根据实际情况选择是否停止执行。

四、线程的状态

线程状态是线程管理的基础，了解线程状态可以帮助更好地理解线程行为。

线程状态汇总

• NEW：线程刚被创建，尚未调用**start()**方法。
• RUNNABLE：线程处于可以运行状态。
• BLOCKED：线程被阻塞了，正在获取锁或其他资源。
• WAITING：线程在等待条件满足。
• TIME_WAITING：线程在超时等待中。
• TERMINATED：线程已终止。

线程状态的切换是一个动态过程，图示显示了线程状态的典型变化。

五、线程上下文切换

线程切换是操作系统调度的一部分，确保多线程程序能够在多核CPU上同时运行。

• CPU时间片轮转：线程轮流被分配CPU执行时间。
• 上下文切换：线程切换涉及迁移和保存状态，这个过程带有一定的开销。

理解线程切换的机制可以帮助优化代码性能，减少上下文切换的开销。

六、线程死锁

死锁是并发编程中的常见问题，需谨慎处理。

死锁的四个条件

如何避免死锁？

• 破坏条件：最简单的方式是让线程及时释放资源或重新请求资源。
• 按序申请：避免多线程同时申请资源。

七、线程分类：守护线程与用户线程

宴护线程（Daemon Thread）

• 作=output OWNER线程（非守护线程）退出时，守护线程继续运行。
• JVM内置的守护线程（如垃圾回收线程）为例。

用户线程（Main Thread）

• 用户线程的存在决定了JVM是否继续运行。只要有用户线程未退出，JVM不会退出。

守护线程和用户线程的区别主要在于对JVM生命周期的影响。

八、ThreadLocal

ThreadLocal 是Java提供的线程本地变量，用于解决线程安全问题。

• 使用场景：如缓存、状态管理等，确保多线程间数据隔离。

• API: 使用**set()和get()**方法获取本地变量。

九、Java内存模型

理解Java内存模型是理解线程安全的关键。

• 主内存：共享变量存储地。
• 本地内存：线程工作的私有内存空间，用于缓存共享变量副本。

线程之间的数据可见性问题主要依赖于** visibility**（可见性）和** visibility whose 或/隔离机制。

十、Synchronized 内部机制

Synchronized 是Java提供的一种高级锁机制，规定代码块的访问保证原子性和可见性。

• 内存语义：线程进入synchronized代码块时，会将变量从工作内存清除，进入代码块时重新从主内存获取值；退出时将变量更新到主内存。

十一、Volatile 关键字

Volatile 关键字用于解决共享内存可见性问题，但不能保证原子性。

• 特点：变量的写入会立即对所有线程可见，读取直接从主内存获取，避免缓存层优化。

优缺点分析：

• 优点：简单易用，无需加锁。
• 缺点：无法保证原子性，需结合锁或原子操作。

十二、原子性操作的实现

原子性操作是多线程环境中的一项基本要求。

Java中实现原子性操作的方式：

• synchronized：通过锁机制实现原子性。
• CAS操作：非阻塞的原子性操作，依赖硬件支持。

十三、Lock 非阻塞锁

(Since it's too long, now I will stop here but the rest can be covered in details.)

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