Java 多线程与并发编程实战指南

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用户11690571

发布于 2025-06-06 11:59:55

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一、引言

随着多核 CPU 的普及，多线程编程已成为现代软件开发的重要技能之一。Java 自 1.0 起便内建了强大的线程支持，并在后续版本中不断增强并发能力：从基本的 Thread、synchronized，到 java.util.concurrent 包，再到 JDK 21 引入的虚拟线程。

本篇文章将通过图文结合与代码演示，从入门到高阶，系统梳理 Java 多线程与并发编程的核心知识。

二、Java 多线程基础

2.1 什么是线程

线程是操作系统能够调度的最小执行单元。一个 Java 程序至少有一个线程（main），可以通过新建 Thread 启动多个线程并发执行。

📌 图示：进程与线程结构

css复制编辑[进程]
 └─ 线程1（主线程）
 └─ 线程2（工作线程）
 └─ ...

2.2 创建线程的三种方式

✅ 方式 1：继承 Thread 类

java复制编辑class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("线程执行中...");
    }
}

new MyThread().start();

✅ 方式 2：实现 Runnable 接口

java复制编辑Runnable task = () -> System.out.println("使用 Runnable 执行");
new Thread(task).start();

✅ 方式 3：实现 Callable + Future

java复制编辑Callable<Integer> task = () -> 123;
FutureTask<Integer> future = new FutureTask<>(task);
new Thread(future).start();
System.out.println(future.get());

三、线程生命周期详解

Java 中线程的五种状态如下：

📌 图示：线程状态转移图

sql复制编辑NEW → RUNNABLE → RUNNING → WAITING/BLOCKED → TERMINATED

NEW：新建状态
RUNNABLE：可运行，等待 CPU 调度
BLOCKED：等待锁资源
WAITING：主动等待（如 join）
TERMINATED：线程运行结束

四、线程同步机制

4.1 synchronized 关键字

java复制编辑public synchronized void increment() {
    count++;
}

修饰方法：锁的是当前实例
修饰代码块：锁的是传入对象

📌 图示：synchronized 互斥机制

mathematica复制编辑Thread 1 ─┐       ┌─进入同步块
         ├→ 获取锁 ├→ 执行代码
Thread 2 ─┘       └─等待 Thread 1 释放锁

4.2 ReentrantLock 可重入锁

java复制编辑Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    lock.unlock();
}

可实现更细粒度的控制，如尝试加锁、可中断加锁等。

五、并发工具类介绍（java.util.concurrent）

5.1 线程池 Executor 框架

java复制编辑ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4);
pool.submit(() -> System.out.println("任务执行"));
pool.shutdown();

FixedThreadPool：固定线程数
CachedThreadPool：可伸缩线程池
ScheduledThreadPool：定时/周期任务

📌 图示：线程池原理简化图

css复制编辑     提交任务
         ↓
[线程池]——[任务队列]——[线程Worker]

5.2 Future + Callable 获取异步结果

java复制编辑Callable<Integer> task = () -> 42;
Future<Integer> result = pool.submit(task);
System.out.println(result.get()); // 阻塞直到结果返回

六、高级并发工具详解

6.1 CountDownLatch：倒计时门闩

java复制编辑CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        // 模拟任务
        latch.countDown();
    }).start();
}

latch.await(); // 主线程等待

用途：等待多个线程完成。

6.2 CyclicBarrier：循环栅栏

java复制编辑CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> System.out.println("所有人就位！"));

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        barrier.await(); // 所有线程到达才继续执行
    }).start();
}

用途：并发场景的分阶段同步。

6.3 Semaphore：信号量

java复制编辑Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 最多允许2个线程同时访问

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    new Thread(() -> {
        semaphore.acquire();
        System.out.println("访问资源");
        semaphore.release();
    }).start();
}

用途：限流/控制资源并发访问。

七、原子类与无锁编程

7.1 AtomicInteger 示例

java复制编辑AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
counter.incrementAndGet(); // ++
counter.getAndAdd(5);      // += 5

📌 无需加锁，适合高频操作。

八、volatile 与内存可见性

java复制编辑volatile boolean running = true;

public void stop() {
    running = false; // 线程间可见
}

保证可见性
不保证原子性

📌 用于状态标志很合适。

九、JDK 21 虚拟线程（Virtual Thread）

JDK 21 引入虚拟线程，可实现百万级并发：

java复制编辑Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("虚拟线程执行！");
});

📌 优势：

轻量、无需繁杂线程池
自动调度
更适合高并发网络应用

📌 图示：平台线程 vs 虚拟线程

mathematica复制编辑平台线程：1 OS 线程 ↔ 1 Java 线程
虚拟线程：N Java 线程 ↔ M OS 线程（通过调度器映射）

十、实战项目案例：并发爬图工具（不涉及爬虫逻辑）

需求：

读取 URL 列表
多线程下载图片
控制最大并发为 10 个线程

java复制编辑ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
List<String> urls = List.of(...);

for (String url : urls) {
    pool.submit(() -> {
        byte[] imageData = downloadImage(url); // 假设方法已定义
        saveImage(imageData);
    });
}
pool.shutdown();

📌 可引入 CountDownLatch 等辅助工具同步流程。

十一、常见并发问题与调试技巧

11.1 死锁（Deadlock）

两个线程相互等待对方释放资源，导致永久阻塞。

示例：

java复制编辑synchronized (lock1) {
    synchronized (lock2) {
        ...
    }
}

同时另一个线程相反顺序获取锁，会死锁。

🔧 解决策略：

保证锁获取顺序一致
设置超时时间

11.2 可视化并发分析工具

jconsole / VisualVM
Java Flight Recorder (JFR)
Arthas 热分析工具

十二、性能调优建议

方向	优化建议
线程池	根据任务类型设置合理核心数和队列容量
锁优化	使用读写锁、锁分段、原子类
状态控制	使用 volatile 配合 CAS
内存分配	减少线程频繁创建/销毁

总结

Java 并发编程是构建高性能、高可用系统的核心能力。本文从基础到进阶，涵盖了：

多线程创建与控制
同步机制与线程安全
并发工具类
线程池实战与虚拟线程
性能调优与常见问题

通过示例与图示辅助讲解，相信你对 Java 并发编程有了清晰的认识。随着 JDK 的演进（特别是虚拟线程的引入），Java 的并发模型正在变得更现代、更易用。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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