# Java 线程

# 1. 线程基础

# 1.1 线程的概念

线程：是操作系统中最小的执行单元，一个进程可以包含多个线程，线程之间共享内存。
进程 vs 线程：
- 进程有独立的内存空间，线程共享进程的内存。
- 线程切换成本比进程切换低。

# 1.2 Java 中的线程

创建线程：Java 中有三种常见方式创建线程：
- 继承 Thread 类：重写 Thread 类的 run() 方法。
- 实现 Runnable 接口：将任务逻辑放入 run() 方法，通过 Thread 启动。
- 实现 Callable 接口：支持返回结果或抛出异常的任务，结合 Future 使用。
线程生命周期：
- 新建（NEW）：线程被创建但尚未启动。
- 运行（RUNNABLE）：线程被调度执行。
- 阻塞（BLOCKED）：线程被阻塞，等待进入临界区。
- 等待（WAITING）：线程进入等待状态，等待被唤醒。
- 定时等待（TIMED_WAITING）：等待一定时间后自动恢复。
- 终止（TERMINATED）：线程执行完成或因异常终止。

# 2. 多线程编程

# 2.1 多线程的优势与挑战

优势：
- 提升应用的并发处理能力，提高系统吞吐量。
- 合理利用多核CPU资源。
挑战：
- 线程间的资源共享容易引发竞态条件。
- 存在死锁、线程饥饿等常见并发问题。
- 上下文切换带来的性能开销。

# 2.2 线程的同步机制

锁机制：
- synchronized 关键字：用于同步方法或同步代码块，确保同一时间只有一个线程访问临界区。
- ReentrantLock：可重入锁，提供了更细粒度的控制和条件变量。
等待通知机制：
- wait() 和 notify()：用于线程间的协作，常用于生产者-消费者模型。
- Condition：与 ReentrantLock 搭配使用的高级等待/通知机制。

# 2.3 并发包 `java.util.concurrent`

Java 提供了 java.util.concurrent 并发工具包，简化了多线程编程，常用组件包括：

Executor 框架：线程池管理，通过 ExecutorService 提供任务提交和执行的机制，避免频繁创建和销毁线程。
CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
CyclicBarrier：使一组线程在彼此都达到某个状态后继续执行。
Semaphore：用于控制同时访问特定资源的线程数量。
BlockingQueue：支持线程安全的队列操作，适合生产者-消费者模型。

# 3. 线程池技术

# 3.1 线程池的工作原理

核心参数：
- 核心线程数：始终保持在活动状态的线程数量。
- 最大线程数：线程池允许的最大线程数量。
- 任务队列：存储等待执行的任务，常见的有 LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue 等。
- 线程存活时间：超过核心线程数的空闲线程在终止前的存活时间。
工作流程：
1. 提交任务，若线程数未达到核心数，则创建新线程执行。
2. 任务提交到任务队列，等待执行。
3. 若任务队列满且线程未达到最大线程数，创建新线程执行。
4. 当线程数超过核心数，闲置线程会被回收。

# 3.2 线程池的拒绝策略

当线程池任务队列满时，采用以下拒绝策略：

AbortPolicy：直接抛出异常，拒绝提交任务。
DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛出异常。
DiscardOldestPolicy：丢弃最早的任务，执行新任务。
CallerRunsPolicy：由调用线程执行任务。

# 4. 线程安全问题与解决方案

# 4.1 竞态条件

当多个线程同时访问共享资源时，可能引发竞态条件，导致数据不一致。

# 4.2 死锁问题

死锁：多个线程互相等待彼此持有的资源，形成循环等待，导致线程无法继续执行。
避免死锁：通过合理的加锁顺序或使用超时锁机制。

# 4.3 内存可见性问题

volatile 关键字：保证变量的内存可见性，防止线程使用缓存中的值，确保修改对其他线程可见。
Atomic 系列类：提供了一些原子性操作的封装，如 AtomicInteger、AtomicReference 等，避免传统锁的使用。

# 5. 多线程的设计模式与常见场景

# 5.1 生产者-消费者模型

通过 BlockingQueue 实现，生产者不断生成数据，消费者不断消费数据。

# 5.2 Future 模式

通过 Future 获取异步任务的执行结果，常与 Callable 结合使用。

# 5.3 Fork/Join 框架

支持将大任务分解为小任务并行执行，适合大规模数据处理。

# 6. 并发编程的最佳实践

# 6.1 尽量使用高层次的并发工具

使用 ExecutorService 管理线程池。
使用 java.util.concurrent 中的同步容器，如 ConcurrentHashMap。

# 6.2 避免频繁创建/销毁线程

使用线程池复用线程，减少性能开销。

# 6.3 避免过度加锁

加锁会带来性能损耗，应尽量减少临界区的范围，避免锁竞争。

# 6.4 使用无锁并发

使用 Atomic 类或CAS（Compare And Swap）实现无锁并发，避免传统的锁机制。

# 7. 总结

线程与多线程编程是Java后端架构师的重要技术能力之一。通过掌握线程的基础知识、同步机制、线程池、并发问题的解决方法以及性能优化策略，架构师能够设计出高效、安全的并发系统，提升系统的并发处理能力。面对复杂的并发问题，合理利用Java的并发工具和设计模式，是解决问题的关键。