编程自学指南：java程序设计开发，多线程编程，为什么需要多线程？线程的创建与启动，线程同步与锁机制，线程池

编程自学指南：java程序设计开发，多线程编程

学习目标：

1. 理解进程与线程的核心概念及区别

2. 掌握Java中线程的创建与生命周期管理

3. 能够通过同步机制解决线程安全问题

4. 使用线程池优化多线程程序性能

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一、课程引入

1.1 为什么需要多线程？

• 应用场景：

  • 提高程序响应速度（如GUI界面后台任务）

  • 充分利用多核CPU资源

  • 实现异步处理（如文件下载、网络请求）

• 生活类比：

  • 进程：银行营业厅（独立资源单位）

  • 线程：银行窗口（共享进程资源，并发处理任务）

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二、线程的创建与启动

2.1 继承Thread类

案例1：简单线程执行

public class MyThread extends Thread {  
    @Override  
    public void run() {  
        System.out.println("线程执行：" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
}  

// 启动线程  
MyThread thread = new MyThread();  
thread.start();  // 输出：线程执行：Thread-0

2.2 实现Runnable接口（推荐）

案例2：多窗口售票系统

public class Ticket implements Runnable {  
    private int tickets = 10;  

    @Override  
    public void run() {  
        while (tickets > 0) {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出票号：" + tickets--);  
        }  
    }  
}  

// 启动三个窗口  
Thread t1 = new Thread(new Ticket(), "窗口1");  
Thread t2 = new Thread(new Ticket(), "窗口2");  
t1.start();  
t2.start();  
// 注意：此处存在线程安全问题（后续解决）

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三、线程同步与锁机制

3.1 synchronized关键字

案例3：解决售票超卖问题

public class SafeTicket implements Runnable {  
    private int tickets = 10;  

    @Override  
    public void run() {  
        while (true) {  
            synchronized (this) {  // 同步代码块  
                if (tickets > 0) {  
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出票号：" + tickets--);  
                } else {  
                    break;  
                }  
            }  
        }  
    }  
}

3.2 Lock接口（ReentrantLock）

案例4：使用Lock实现同步

private Lock lock = new ReentrantLock();  

public void run() {  
    while (true) {  
        lock.lock();  
        try {  
            if (tickets > 0) {  
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出票号：" + tickets--);  
            } else {  
                break;  
            }  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  
}

3.3 volatile关键字

• 作用：确保变量可见性，禁止指令重排序

private volatile boolean running = true;  

public void run() {  
    while (running) {  
        // 执行任务  
    }  
}  

public void stop() {  
    running = false;  
}

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四、线程池

4.1 Executor框架

案例5：使用线程池执行任务

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);  
for (int i = 0; i < 10; i++) {  
    pool.execute(() -> {  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行任务");  
    });  
}  
pool.shutdown();

4.2 Callable与Future

案例6：获取异步计算结果

Callable<Integer> task = () -> {  
    Thread.sleep(1000);  
    return 1 + 1;  
};  

ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();  
Future<Integer> future = pool.submit(task);  
System.out.println("计算结果：" + future.get());  // 阻塞直到结果返回  
pool.shutdown(); 

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五、综合应用

5.1 案例7：生产者-消费者模型

public class MessageQueue {  
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();  
    private int capacity = 5;  

    public synchronized void produce(String msg) throws InterruptedException {  
        while (queue.size() == capacity) {  
            wait();  // 队列满时等待  
        }  
        queue.offer(msg);  
        notifyAll();  // 唤醒消费者  
    }  

    public synchronized String consume() throws InterruptedException {  
        while (queue.isEmpty()) {  
            wait();  // 队列空时等待  
        }  
        String msg = queue.poll();  
        notifyAll();  // 唤醒生产者  
        return msg;  
    }  
}

六、常见问题与最佳实践

6.1 常见错误

• 错误1：直接调用run()方法

  thread.run();  // 错误：不会启动新线程，仍在主线程执行

• 错误2：锁对象选择不当

  synchronized (new Object()) { ... }  // 锁无效！

6.2 最佳实践

• 优先实现Runnable接口：避免单继承限制

• 使用线程池代替手动创建线程：资源可控，避免频繁创建销毁开销

• 避免死锁：按固定顺序获取多个锁

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七、总结与练习

7.1 总结

• 线程创建：继承Thread vs 实现Runnable/Callable

• 线程同步：synchronized、Lock、volatile

• 线程池：Executor框架管理线程生命周期

7.2 课后任务

1. 实现一个多线程下载器（模拟分块下载文件）

2. 用线程池优化案例2的售票系统

3. 预习下一节课：网络编程基础

7.3 扩展挑战

• 用CompletableFuture实现异步任务链（如先查询用户信息，再查询订单）