《尚硅谷多线程》课件

尚硅谷多线程本课程将深入讲解多线程的概念、原理和应用。涵盖线程基础、线程同步、线程池、并发编程等内容。什么是多线程?并发执行多个线程在同一时间段内同时运行，提高程序效率。资源共享多个线程可以共享同一个进程的资源，包括内存、文件等。响应速度提升多线程可以同时处理多个任务，提高程序响应速度。提高程序的灵活性多线程可以让程序更加灵活，可以根据需要动态地创建和销毁线程。多线程的优势11.提高程序效率多线程可以充分利用多核CPU的资源，并行执行任务，提高程序运行效率。22.增强用户体验例如，在网页浏览器中，多线程可以同时处理多个任务，例如加载页面、执行脚本和播放视频，从而提高用户体验。33.简化编程模型多线程可以将一个复杂的任务分解成多个更小的任务，然后由多个线程并行执行，简化编程模型。44.提升响应速度例如，在服务器端应用中，多线程可以同时处理多个用户的请求，提高服务器的响应速度。多线程的编程模型内核级线程内核级线程由操作系统直接管理。每个内核级线程对应一个独立的进程，拥有自己的地址空间和资源。用户级线程用户级线程由应用程序管理，它们运行在同一个进程中，共享地址空间和资源。内核感知不到用户级线程的存在。线程的创建和启动创建线程是并发编程的基础。Java提供两种主要方式来创建线程：实现Runnable接口和继承Thread类。1创建线程对象使用Thread类或Runnable接口创建线程对象。2启动线程调用线程对象的start()方法启动线程。3运行线程线程开始执行run()方法中的代码。线程的生命周期1新建(New)线程被创建后，还未启动，尚未开始执行。2就绪(Runnable)线程已准备好运行，等待分配CPU时间。3运行(Running)线程正在执行任务，占用CPU时间。4阻塞(Blocked)线程被阻塞，无法继续运行，例如等待I/O操作完成。5死亡(Dead)线程已完成执行或出现异常而终止。线程的调度线程调度概述线程调度是指操作系统分配处理器时间给各个线程的过程。每个线程都需要一定时间运行，调度器会根据策略决定哪个线程应该先运行。轮询调度轮询调度是将时间片平均分配给所有等待运行的线程。每个线程运行一个时间片后，调度器会切换到另一个线程。优先级调度优先级调度会根据线程的优先级来决定哪个线程先运行。优先级高的线程会优先获得处理器的资源。线程的同步当多个线程需要访问共享资源时，同步机制可以确保资源不会被多个线程同时访问。同步机制使用锁来控制对共享资源的访问，防止数据竞争和不一致。线程同步可以确保线程按照特定的顺序执行，例如，一个线程必须等待另一个线程完成任务后再执行。synchronized关键字1同步代码块synchronized关键字用于同步代码块，保证同一时刻只有一个线程可以执行代码块内的代码。2同步方法同步方法用于同步整个方法，保证同一时刻只有一个线程可以访问该方法。3对象锁synchronized关键字的锁对象可以是任意对象，通过锁对象来控制线程的同步访问。4使用场景synchronized关键字可用于解决多线程访问共享资源导致的线程安全问题。死锁的概念和产生条件互斥条件多个线程竞争共享资源，每个线程都需要独占访问该资源才能继续执行。占有并等待条件线程已经获得了一些资源，但需要更多资源才能完成任务，却无法释放已经持有的资源，并等待获取新的资源。不可剥夺条件线程已经获取的资源不能被其他线程强行抢占，只能由线程自身释放。循环等待条件线程之间形成一个循环等待链，每个线程都等待链中下一个线程释放的资源。死锁的预防和解决预防死锁避免资源竞争，按照顺序获取资源，避免循环依赖，使用超时机制，防止线程无限制等待。解除死锁杀死一个或多个线程，抢占资源，回滚操作，重新启动系统，可以尝试使用死锁检测工具。避免死锁合理设计代码，避免竞争条件，使用锁机制，避免死锁的发生。volatile关键字可见性保证volatile确保对共享变量的修改对其他线程立即可见，无需使用同步机制。禁止指令重排序volatile禁止编译器对volatile变量的读写操作进行重排序，保证操作顺序。线程安全的概念线程安全线程安全指的是在多线程环境下，多个线程访问共享资源时，不会产生数据错误或不一致的结果。简单来说，如果一个方法或代码块是线程安全的，就意味着即使多个线程同时调用它，也不会导致数据错误或数据丢失。线程安全的实现1同步机制使用synchronized关键字或锁机制来保护共享资源。2线程局部变量每个线程拥有独立的变量副本，避免线程间冲突。3无状态对象对象不存储任何状态，避免线程安全问题。4不可变对象对象的状态在创建后无法改变，保证线程安全。线程安全是指多个线程访问共享资源时，不会出现数据不一致或错误的情况。实现线程安全需要采取措施，确保多线程环境下的数据完整性和一致性。线程安全的常用手段synchronized关键字保证同一时间只有一个线程可以访问被synchronized修饰的代码块，从而实现同步访问。Lock接口提供更灵活的锁机制，支持非阻塞式加锁，以及条件变量等高级功能。原子操作类使用原子操作类，例如AtomicInteger和AtomicLong，可以保证对共享变量的读写操作的原子性。可见性和指令重排序可见性可见性是指线程之间的可见性问题，即一个线程对共享变量的修改能否被其他线程立即看到。指令重排序指令重排序是指编译器和处理器为了优化性能，可能会对代码的执行顺序进行调整。内存模型Java内存模型(JMM)定义了线程之间共享变量的访问规则，以及可见性和指令重排序的约束。线程池的概念线程池的优势线程池减少了线程创建和销毁的开销，提高了程序效率。线程池可以有效控制并发线程的数量，防止系统资源被耗尽。线程池的组成线程池通常包括线程池管理器、工作线程、任务队列等。线程池管理器负责管理线程池，工作线程负责执行任务，任务队列用来保存待执行的任务。线程池的工作原理任务提交当提交任务到线程池时，线程池会根据当前状态进行处理。线程获取如果线程池中有空闲线程，则直接分配给新任务；否则，新任务将被添加到任务队列中等待。线程执行获取到任务的线程开始执行任务，并等待任务完成。线程回收任务完成后，线程不会立即销毁，而是返回到线程池中等待新的任务。Callable和Future1Callable接口Callable接口表示可调用任务，用于返回结果。2Future接口Future接口代表异步计算的结果，提供获取结果、取消任务等方法。3协同工作Callable创建任务，Future保存结果，实现异步编程。线程的异常处理异常捕获使用try-catch块捕获线程中发生的异常，防止程序崩溃。异常处理策略根据异常类型选择合适的处理方式，例如记录日志、重新尝试操作或抛出异常。异常传播未捕获的异常会向上层线程传播，最终可能导致程序终止。线程的停止中断线程使用interrupt()方法，线程内部需要检测中断标志位。设置标志位在共享资源中设置标志位，线程通过检测标志位判断是否停止。使用Thread.stop()该方法已过时，因为它可能会导致线程安全问题，不建议使用。线程的优先级11.优先级设定线程的优先级可以通过Thread类的setPriority()方法设置，范围从1到10，数值越大优先级越高。22.调度机制操作系统会根据线程的优先级进行调度，优先级高的线程获得更多CPU时间。33.调度策略Java线程的调度策略是抢占式调度，但优先级只是影响调度因素之一，并非绝对的。44.注意事项优先级高的线程并不能完全保证先执行，因为其他因素也会影响调度。线程的上下文切换上下文切换的本质线程切换时，CPU需要保存当前线程的状态，并将目标线程的状态加载到CPU中。上下文切换的开销上下文切换涉及内存操作，会消耗CPU时间，影响程序性能。减少上下文切换合理设计线程数量，避免频繁切换，提高程序执行效率。并发编程常见问题线程安全线程安全是一个重要的概念，必须确保共享资源在并发访问时保持一致性。死锁死锁是指多个线程因争夺资源而相互等待，导致程序无法继续执行。竞争条件竞争条件是指多个线程同时访问共享资源，导致程序结果不可预测。性能问题并发编程可能会带来性能问题，例如线程切换的开销和竞争资源的消耗。线程的状态转换1新建(New)线程被创建但尚未启动。它处于等待状态，等待操作系统分配资源并开始执行。2运行(Runnable)线程已启动并准备运行。它正在等待CPU时间片分配，以便开始执行代码。3运行(Running)线程正在执行代码。它正在占用CPU时间片，并执行其任务。4阻塞(Blocked)线程被阻塞，无法运行。这可能是因为线程在等待某个资源（例如锁）或正在等待I/O操作完成。5终止(Terminated)线程已完成执行或被强制停止。它不再处于活动状态，并被从系统中删除。使用AQS实现同步器AQS简介AbstractQueuedSynchronizer(AQS)是一个抽象的同步器框架。它提供了一个通用的同步器实现，可以用来构建各种同步机制。AQS定义了state状态变量，以及acquire和release方法来操作state变量。同步器实现基于AQS可以实现各种同步器，例如：ReentrantLockSemaphoreCountDownLatchFutureTask使用Atomic原子类原子操作原子操作是指一系列操作，要么全部执行成功，要么全部失败。它们确保在多线程环境中，数据的一致性和完整性。线程安全原子类通过内部锁机制，保证了对共享数据的原子操作，从而避免了竞态条件，确保线程安全。CAS原子类使用CAS（Compare-And-Swap）机制，比较并交换操作，实现原子操作。Java中的锁同步锁同步锁是Java中最基本的锁机制，它确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。这种机制通过synchronized关键字实现，可以应用于方法或代码块。可重入锁