Java 中的并发(Concurrency) 指多个任务在同一时间段内交替执行(宏观上同时进行,微观上可能是 CPU 快速切换调度),目的是提高程序效率,充分利用系统资源(如 CPU、内存、I/O 等)。
一、为什么需要并发?
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资源利用率最大化
当程序执行 I/O 操作(如读写文件、网络请求)时,CPU 通常处于空闲状态。通过并发,可在等待 I/O 时让 CPU 处理其他任务,避免资源浪费。
例如:一个下载文件的程序,在等待网络数据时,可同时解析已下载的部分数据。
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响应速度提升
对于交互式程序(如 GUI 应用、服务器),并发能避免单任务阻塞导致的界面卡顿或请求超时。
例如:Web 服务器同时处理多个用户的请求,而非逐个排队处理。
二、并发的核心概念
1. 线程(Thread)与进程(Process)
- 进程:程序的一次执行过程,是系统资源分配的基本单位(有独立的内存空间)。
- 线程:进程内的执行单元,是 CPU 调度的基本单位(共享进程的内存空间)。
- 关系:一个进程可包含多个线程(多线程),线程间切换成本远低于进程切换。
2. 并行(Parallelism)与并发(Concurrency)的区别
- 并发:多个任务"交替执行"(CPU 切换速度快,看起来同时进行),适用于单 CPU 或多 CPU。
- 并行 :多个任务"同时执行"(需多 CPU 核心,每个核心处理一个任务)。
例如:4 核 CPU 同时运行 4 个线程是并行,1 核 CPU 快速切换 4 个线程是并发。
三、Java 实现并发的方式
Java 提供了多种并发编程工具,核心是通过线程实现:
1. 基础方式
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继承
Thread
类 :重写run()
方法定义任务,调用start()
启动线程。 -
实现
Runnable
接口 :定义任务逻辑,通过Thread
类包装并启动(推荐,避免单继承限制)。 -
实现
Callable
接口 :与Runnable
类似,但可返回结果并抛出异常,配合Future
获取结果。java// Callable 示例 import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.FutureTask; public class CallableDemo { public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { // 1. 定义任务(有返回值) Callable<Integer> task = () -> { int sum = 0; for (int i = 0; i <= 100; i++) { sum += i; } return sum; }; // 2. 包装任务 FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task); // 3. 启动线程 new Thread(futureTask).start(); // 4. 获取结果(会阻塞直到任务完成) System.out.println("1-100的和:" + futureTask.get()); // 输出5050 } }
2. 线程池(ThreadPoolExecutor)
频繁创建/销毁线程会消耗资源,线程池 通过复用线程提高效率,是生产环境的首选。
Java 提供 Executors
工具类快速创建线程池:
java
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadPoolDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建固定大小的线程池(3个线程)
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交5个任务(线程池会复用3个线程处理)
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int taskId = i;
pool.submit(() -> {
System.out.println("处理任务" + taskId + ",线程:" + Thread.currentThread().getName());
});
}
// 关闭线程池
pool.shutdown();
}
}
四、并发带来的问题及解决方案
并发虽提高效率,但多线程共享资源时会引发问题:
1. 线程安全问题
当多个线程同时操作共享数据(如全局变量、集合),可能导致数据不一致。
示例 :两个线程同时对变量 count
做 ++
操作,预期结果为 2,实际可能为 1(因 ++
是多步操作,可能被打断)。
2. 解决方案
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synchronized
关键字:通过"锁"保证同一时间只有一个线程执行临界区代码(修饰方法或代码块)。javapublic class SynchronizedDemo { private static int count = 0; private static final Object lock = new Object(); // 锁对象 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 10000; i++) { synchronized (lock) { // 同步代码块:同一时间只有一个线程进入 count++; } } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 10000; i++) { synchronized (lock) { count++; } } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); // 等待线程执行完毕 t2.join(); System.out.println("count最终值:" + count); // 正确输出20000 } }
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java.util.concurrent
工具类 :提供线程安全的集合(如ConcurrentHashMap
)、原子类(如AtomicInteger
)、锁机制(如ReentrantLock
)等,比synchronized
更灵活。
五、并发编程的核心挑战
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可见性 :一个线程修改的共享变量,其他线程可能无法立即看到(因 CPU 缓存导致)。
解决方案:使用
volatile
关键字(保证变量修改后立即刷新到主内存)。 -
原子性 :一个操作不可被中断(如
count++
实际是"读-改-写"三步,非原子操作)。解决方案:
synchronized
、原子类(AtomicInteger
)。 -
有序性 :CPU 可能对指令重排序优化,导致代码执行顺序与预期不一致。
解决方案:
volatile
、synchronized
或显式内存屏障。
六、总结
- 并发的本质:通过多线程交替执行,提高资源利用率和程序响应速度。
- 核心问题:线程安全(数据不一致),需通过锁机制或并发工具解决。
- 实践建议 :优先使用线程池管理线程,避免手动创建;复杂场景下借助
java.util.concurrent
包的工具类(如CountDownLatch
、Semaphore
)简化开发。
理解并发是 Java 进阶的关键,尤其在高并发场景(如分布式系统、高流量服务器)中,合理设计并发模型能显著提升系统性能。