从零开始学Java之多线程及线程如何保证安全性?

作者 :孙玉昌,昵称【一一哥 】,另外【壹壹哥】也是我哦

千锋教育高级教研员、CSDN博客专家、万粉博主、阿里云专家博主、掘金优质作者

前言

在前面的几篇文章中,壹哥 重点给大家讲解了线程的创建方式、核心API,以及线程状态等内容,但这些内容主要都是针对单个线程的,其实我们在开发时,很多时候还要考虑多线程的问题。那什么是多线程?多线程又存在哪些问题呢?接下来请大家继续跟壹哥往下学习吧。

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一. 多线程

1. 简介

我们知道,一个Java程序就是一个JVM进程,一个JVM进程会用一个主线程来执行main()方法,而在main()方法的内部,我们又可以启动多个线程。所以,Java的多线程是相对单线程来说的,是指在Java程序中同时有多个线程在执行, 每个线程都有自己的执行序列,可以独立执行不同的任务,执行不同的代码块,实现多个任务的并发执行。相比单线程,多线程能够更高效地利用CPU资源,提高程序的运行效率。

同时,Java还给我们提供了丰富的多线程相关的API,如线程同步机制、线程池等,使得多线程编程更加灵活和方便。

多线程相对于单线程,其特点在于:多线程经常需要读写共享数据,并进行同步,保证共享数据的安全性。 比如我们很常见的视频播放,一个线程负责播放视频,另一个线程负责播放音频,两个线程需要协调运行,否则画面和声音就不能同步。所以在多线程编程中,确保线程的安全和同步,避免出现竞态条件和死锁等问题就是开发时的重难点。

2. 使用场景

虽然多线程的开发比单线程更麻烦,也存在一些安全问题,但进行多线程开发的优点更多,所以在很多场景中我们依然会用到多线程,比如以下这些场景:

  1. GUI应用:在进行GUI开发时,用户可以同时执行多个操作,例如点击按钮、输入文本等,我们可以用一个线程来处理用户的输入,另一个线程来更新GUI界面,以确保程序能够及时响应用户的操作。
  2. Web应用:在 Web应用程序中,服务器可以同时处理多个客户端的请求。每个请求都可以执行一些计算和I/O操作,这些操作可能需要一定的时间才能完成。为了提高服务器的响应速度,我们也可以使用多线程来处理客户端的请求。
  3. 数据库应用:在数据库应用程序中,可以使用多线程来提高数据库的并发性能。例如,我们可以使用多个线程来处理查询请求,每个线程处理一个查询,以提高查询的并发度。此外,还可以使用多个线程来执行数据库的备份和恢复操作,以确保数据的安全性。
  4. 游戏应用:在游戏开发中,经常要同时处理多个用户的输入和输出,例如用户的鼠标点击、键盘输入等。此外,还需要对游戏状态进行实时更新,以确保游戏的流畅性和可玩性。为了满足这些需求,我们可以使用多线程来处理游戏的输入输出和状态更新。
  5. 并行计算:在并行计算时,我们可以使用多线程来并行计算复杂的数学模型和算法,以提高计算性能和效率。例如,我们可以使用多线程来计算大规模的矩阵乘法、图像处理等,以减少计算时间。
  6. 网络编程:在网络编程时,我们可以使用多线程来处理网络通信。例如,可以使用一个线程来监听网络连接,另一个线程来处理数据传输,以确保网络通信的及时性和稳定性。
  7. 数据分析:在数据分析中,我们需要处理大量的数据,例如从数据库中读取数据、处理数据、分析数据等。为了提高数据处理的效率,我们可以使用多线程来并行处理数据。例如,可以使用多个线程来读取数据、处理数据、分析数据,以提高数据处理的速度和效率。

以上是壹哥列举出的部分多线程使用场景,当然在实际开发中,多线程的使用之处还有很多,大家可以多多留意。

3. 创建方式

多线程的创建,其实和单线程的创建是一样的,所以创建方式有如下几种:

  • 继承Thread类;
  • 实现Runnable接口;
  • 实现Callable接口;
  • Lambda表达式;
  • 使用Executor框架等方式

以上这些创建方式,壹哥在之前的文章中都已讲过了,这里就不再赘述了。

二. 存在的问题及解决办法

1. 存在的问题

实际上,我们在进行多线程开发时可能会遇到诸多问题,如竞态条件、死锁、资源争用等线程同步、线程通信、线程安全等问题

1.1 线程同步

在多线程编程中,线程的同步是非常重要的。Java给我们提供了多种同步机制来保证线程的安全性,如synchronized关键字、Lock接口和Condition接口等。

1.2 线程通信

在多线程编程中,线程之间需要进行通信,以实现协作和数据交换。Java为我们提供了多种用于线程通信的机制,如wait()、notify()和notifyAll()方法等。

1.3 线程安全

在多线程编程中,线程安全问题是一个非常重要的问题,这些安全问题主要有以下几种:

竞态条件 竞态条件是指多个线程在访问共享资源时,由于执行顺序的不同而导致结果不同的情况。例如,在一个多线程程序中,两个线程同时对一个变量进行操作,如果这个变量的值是由前一个线程计算得到的,那么后一个线程可能会得到一个错误的结果。

死锁 死锁是指多个线程在等待其他线程释放资源时,互相之间形成了一种僵局,"你等我释放锁,我等你释放锁",大家互不相让。例如,线程A需要获取资源1和资源2,而线程B需要获取资源2和资源1,当两个线程同时运行时,就可能出现死锁的情况。

内存一致性 内存一致性是指多个线程在访问共享内存时,由于缓存和主存之间的不一致而导致的问题。例如,在一个多线程程序中,线程A修改了一个共享变量的值,但这个修改还没有被写入到主存中,此时线程B读取这个共享变量就可能会得到一个错误的结果。

2. 解决办法

如果我们想解决上面这些问题,可以采用合适的同步机制 ,如锁、信号量、条件变量等,来协调线程之间的互相访问和操作。

同时,要想保证线程的安全性,就要避免多个线程访问共享数据时产生数据不一致的问题 。我们可以使用 synchronized 或 volatile关键字来保证数据的同步性,或者使用Lock和Condition接口提供的方法来进行线程间的通信和同步。

此外,Java还提供了一些保障线程安全的类和方法供我们使用,例如Atomic类、ConcurrentHashMap类、CopyOnWriteArrayList类等。

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三. 结语

今天这篇文章,壹哥 主要是给大家简要地介绍一下Java多线程的概念、使用场景,以及多线程使用时可能存在的线程同步、线程通信和线程安全等问题。当然我们的重点是要掌握解决这些问题的办法,但受限于篇幅,这些解决办法壹哥会在后面的文章中进行讲解,欢迎大家继续关注。

另外如果你独自学习觉得有很多困难,可以加入壹哥的学习互助群,大家一起交流学习。

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