Java多線程編程基礎

一、線程的定義和基本概念

線程是計算機科學中的一種概念，指的是在單個程序中同時進行多個任務的能力。Java中的線程是輕量級的進程。線程擁有自己的執行堆棧，但共享同一進程中的其他線程所使用的內存。Java中線程的實現主要藉助Thread類和Runnable介面等形式。

在Java中，多線程的實現和使用包含以下幾個基本概念：

1） 線程的啟動：使用Thread的start()方法啟動線程。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 線程邏輯代碼
    }
}
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start(); // 啟動線程

2） 線程的狀態：一個線程可以處於5種狀態，在Java中用枚舉類Thread.State表示，包括New、Runnable、Blocked、Waiting和Terminated。

3） 線程的同步：Java提供了多種同步機制，比如synchronized關鍵字、ReentrantLock、CountDownLatch等等，來保證多線程訪問共享資源時的線程安全。

4） 線程的通信：Java提供了多種線程通信的方法，比如wait()、notify()、notifyAll()等等，來實現線程之間的信息傳遞。

二、線程的創建和啟動

Java中創建和啟動一個線程有兩種方式，分別是繼承Thread類和實現Runnable介面。繼承Thread類要重寫run()方法，實現Runnable介面要實現其run()方法，不管哪種方式都需要調用start()方法啟動線程。下面給出繼承Thread類的代碼示例：

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 線程邏輯代碼
    }
}
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start(); // 啟動線程

下面給出實現Runnable介面的代碼示例：

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 線程邏輯代碼
    }
}
MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(myRunnable);
thread.start(); // 啟動線程

三、線程的狀態

Java中線程的狀態包括：New、Runnable、Blocked、Waiting和Terminated。下面對這5種狀態進行詳細說明：

1） New：表示線程已經被創建，但還沒有被啟動。

2） Runnable：表示線程正在運行或者等待分配CPU時間片。

3） Blocked：表示線程等待獲取一個鎖，進入同步代碼塊等待鎖。

4） Waiting：表示線程進入等待狀態，等待其他線程調用notify()或notifyAll()方法來喚醒該線程。

5） Terminated：表示線程已經完成了工作，不再運行。

四、線程的同步

在Java中線程同步是很重要的一個概念，用來保證多線程對共享資源的訪問的線程安全。Java提供了多種同步機制，在這裡介紹兩種常用的同步機制：synchronized關鍵字和ReentrantLock。

1） synchronized關鍵字

Java中synchronized關鍵字可以用來修飾方法或代碼塊來實現同步，如下面代碼所示：

public synchronized void testMethod() {
    // 線程安全邏輯代碼
}
synchronized (this) {
    // 線程安全邏輯代碼
}

2） ReentrantLock

ReentrantLock是Java中另一種 也稱為可重入鎖的同步機制，同樣用來保證多線程對共享資源的訪問的線程安全。使用ReentrantLock鎖需要先創建鎖對象，然後在需要同步的代碼塊中調用lock()方法獲得鎖，執行完同步代碼塊後，需要調用unlock()方法釋放鎖。下面給出ReentrantLock鎖的示例代碼：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); // 獲取鎖
try {
    // 線程安全邏輯代碼
} finally {
    lock.unlock(); // 釋放鎖
}

五、線程的通信

Java中線程的通信主要依靠wait()、notify()、notifyAll()方法實現。其中wait()方法會讓執行此方法的線程釋放鎖，進入等待狀態，等待其他線程喚醒它。notify()和notifyAll()方法則分別用來喚醒一個或所有等待鎖的線程。下面給出一個簡單的示例，兩個線程交替列印A、B：

public class PrintThread implements Runnable {
    private int count = 0;
    private Object lock = new Object();
    public void run() {
        while (count < 10) {
            synchronized (lock) {
                System.out.print(Thread.currentThread().getName());
                count++;
                lock.notify();
                try {
                    if (count < 10)
                        lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}
PrintThread printThread = new PrintThread();
new Thread(printThread, "A").start();
new Thread(printThread, "B").start();

六、線程池

Java中線程池是用於管理線程的一個機制，它可以預先創建多個線程並將它們保存在一個池中，當需要執行任務時，直接從池中獲取一個線程來執行任務。使用線程池的好處在於：可以減少創建和銷毀線程的開銷，提高系統的性能和穩定性。Java提供了一些線程池的實現類，比如ThreadPoolExecutor。

下面給出ThreadPoolExecutor的示例代碼：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2, 4, 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue(10));
for (int i = 1; i  {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行任務 " + finalI);
    });
}

七、線程安全的集合類

Java中的集合類在多線程的環境中很容易出現問題。為了解決這個問題，Java提供了一些線程安全的集合類，比如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等等。

下面給出CopyOnWriteArrayList的示例代碼：

CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList();
list.add("item1");
list.add("item2");
list.add("item3");
Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
    list.add("item4");
}

八、總結

本文主要講解了Java多線程編程的基礎知識，包括線程的定義和基本概念、線程的創建和啟動、線程的狀態、線程的同步、線程的通信、線程池以及線程安全的集合類等等。掌握這些基礎知識，有助於我們更好地理解和應用多線程編程。