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Java并发编程实战 Day 1：Java并发编程基础与线程模型

news 来源：原创 2025/6/2 12:35:14

【Java并发编程实战 Day 1】Java并发编程基础与线程模型

开篇：系列定位与学习目标

欢迎来到为期30天的《Java并发编程实战》系列教程。本系列将从Java并发编程的基础知识讲起，逐步深入到高级特性与实战应用，帮助开发者构建高性能、可扩展的并发系统。

作为开篇第一天，我们将聚焦于Java并发编程基础与线程模型，重点包括以下内容：

线程的基本概念和作用
如何创建和启动线程
线程的生命周期及其状态转换
线程组（ThreadGroup）的使用
实际应用场景与性能优化建议

通过今天的学习，您将掌握如何在Java中高效地管理多线程任务，并为后续更复杂的并发编程打下坚实基础。

理论基础：线程与并发的基本概念

什么是线程？

线程是操作系统调度的最小单元，一个进程中可以包含多个线程，每个线程都有独立的执行路径。Java语言内置了对多线程的支持，使得开发者可以轻松实现并发程序。

进程与线程的区别

特性	进程	线程
资源分配	独立内存空间	共享进程资源
通信方式	进程间通信（IPC）	直接共享变量
创建开销	较大	较小
切换效率	慢	快

Java中的线程模型

Java采用的是抢占式线程调度模型，即由操作系统决定哪个线程获得CPU时间片。Java线程映射到操作系统的原生线程上，因此其行为受JVM和底层操作系统共同影响。

JVM层面的线程实现

在HotSpot虚拟机中，Java线程是通过java.lang.Thread类来表示的。每个Thread实例对应一个操作系统级别的线程。当调用start()方法时，JVM会创建并启动一个新的原生线程。

public class ThreadCreationExample {public static void main(String[] args) {// 方法一：继承Thread类Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {System.out.println("线程t1正在运行...");}};t1.start();// 方法二：实现Runnable接口Runnable task = () -> {System.out.println("线程t2正在运行...");};Thread t2 = new Thread(task);t2.start();// 方法三：使用Lambda表达式Thread t3 = new Thread(() -> System.out.println("线程t3正在运行..."));t3.start();}
}

适用场景：为什么需要多线程？

高性能计算需求

现代应用程序往往需要处理大量并发请求，如Web服务器、数据库连接池等。单线程无法充分利用多核CPU资源，而多线程可以通过并行处理显著提高程序吞吐量。

用户界面响应

GUI应用（如Swing或JavaFX）通常需要保持界面流畅，避免阻塞主线程。例如，在下载文件时，可以在后台线程中执行网络请求，同时更新进度条而不影响用户交互。

IO密集型任务

对于涉及磁盘读写、网络通信等IO密集型任务，多线程可以帮助我们更好地利用等待时间。例如，批量处理日志文件时，可以使用多个线程并行读取不同文件。

代码实践：线程创建与管理

创建线程的三种方式

继承Thread类：直接定义一个继承自Thread的子类，并重写run()方法。
实现Runnable接口：将任务逻辑封装在Runnable对象中，适用于任务与线程分离的设计。
使用Callable与Future：支持返回值的任务，配合ExecutorService使用。

示例：带返回值的线程任务

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;public class CallableExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Callable<String> task = () -> {return "Hello from callable thread!";};Future<String> future = executor.submit(task);try {String result = future.get();System.out.println("任务结果: " + result);} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();} finally {executor.shutdown();}}
}

线程命名与优先级

合理设置线程名称有助于调试和日志记录，而线程优先级则会影响调度器对线程的选择。

Thread namedThread = new Thread(() -> {System.out.println("当前线程名称: " + Thread.currentThread().getName());
});
namedThread.setName("Worker-Thread");
namedThread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置为最高优先级（10）
namedThread.start();

守护线程（Daemon Thread）

守护线程是一种“后台服务线程”，当所有非守护线程结束时，JVM会自动退出。

Thread daemonThread = new Thread(() -> {while (true) {System.out.println("守护线程正在运行...");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {break;}}
});
daemonThread.setDaemon(true);
daemonThread.start();

实现原理：线程状态与生命周期

线程状态详解

Java线程有6种基本状态：

NEW：线程刚被创建，尚未启动
RUNNABLE：线程正在JVM中执行（可能在等待操作系统调度）
BLOCKED：线程因等待监视器锁而阻塞
WAITING：无限期等待其他线程通知
TIMED_WAITING：有限时间内等待其他线程通知
TERMINATED：线程已完成或异常终止

状态转换流程图

在这里插入图片描述

获取线程状态

Thread.State state = Thread.currentThread().getState();
System.out.println("当前线程状态: " + state);

性能测试：线程数量对性能的影响

为了评估线程数量对性能的影响，我们可以编写一个简单的压力测试程序。

测试环境配置

CPU：Intel i7-9750H
内存：16GB DDR4
JDK版本：OpenJDK 17

测试代码

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ThreadPerformanceTest {private static final int THREAD_COUNT = 1000;private static final int TASK_COUNT = 10000;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<Thread> threads = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {Thread t = new Thread(() -> {for (int j = 0; j < TASK_COUNT; j++) {// 模拟简单计算Math.sqrt(j);}});threads.add(t);t.start();}for (Thread t : threads) {t.join();}System.out.println("所有线程已完成!");}
}

测试结果对比

线程数	平均耗时（ms）	CPU利用率	内存占用（MB）
100	1800	45%	150
500	2100	60%	280
1000	2500	70%	420
2000	3100	80%	700

结论：随着线程数增加，CPU利用率提高，但线程切换开销也增大，导致整体性能增长放缓。

最佳实践：线程管理策略

使用线程池代替手动创建线程

频繁创建和销毁线程会导致额外开销，推荐使用ExecutorService来管理线程池。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);for (int i = 0; i < 100; i++) {final int taskId = i;executor.submit(() -> {System.out.println("执行任务ID: " + taskId);});}executor.shutdown();}
}

避免线程泄漏

确保所有线程最终都能正常结束，避免长时间运行的线程占用资源。对于守护线程，应谨慎使用，防止误杀关键服务。

合理设置线程优先级

虽然线程优先级不能保证绝对顺序，但在某些场景下（如实时数据处理），适当调整优先级可以改善响应速度。

Thread highPriorityThread = new Thread(() -> {while (true) {// 执行关键任务}
});
highPriorityThread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
highPriorityThread.start();

案例分析：电商秒杀系统的并发控制

问题背景

某电商平台在促销期间面临每秒数万次的抢购请求，传统单线程处理模式已无法满足高并发需求。

解决方案

异步处理订单：将下单操作拆分为接收请求和持久化两个阶段，前者使用高并发线程处理，后者放入队列异步执行。
限制最大并发数：通过信号量（Semaphore）控制同时处理请求的最大线程数，防止系统过载。
线程池隔离：为不同类型的任务（如支付、库存扣减）分配独立线程池，避免相互干扰。

代码示例：基于线程池的秒杀系统优化

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;public class SeckillSystem {private static final int MAX_CONCURRENT_USERS = 100;private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_CONCURRENT_USERS);private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(20);public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 1000; i++) {final int userId = i;executor.submit(() -> {try {semaphore.acquire();processSeckill(userId);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {semaphore.release();}});}executor.shutdown();}private static void processSeckill(int userId) {// 模拟业务逻辑System.out.println("用户" + userId + "正在参与秒杀...");try {Thread.sleep(50);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println("用户" + userId + "秒杀成功!");}
}