Java 多线程探秘：核心概念与实用技巧全解析

前言：

在当今的编程世界中，Java 多线程技术犹如一把神奇的钥匙，能够开启高效并发处理的大门。无论是构建大规模分布式系统，还是开发高性能的桌面应用，对多线程的深入理解和熟练运用都至关重要。从线程的同步控制到高效的线程池管理，从确保线程安全到巧妙处理线程间的协作，每一个环节都蕴含着无限的奥秘与挑战。在接下来的内容中，我们将一同深入探索 Java 多线程领域的关键知识点，包括线程的顺序执行、不同线程安全集合的差异、线程安全的实现策略、Thread 类的特殊方法以及线程池提交任务的技巧等，为你揭开多线程编程的神秘面纱，助力你在 Java 开发的道路上更上一层楼。

1. 有三个线程T1,T2,T3,如何保证顺序执行？

要确保三个线程 T1, T2, 和 T3 按顺序执行，你可以使用多种同步机制。以下是几种常见的方法：

Join 方法

• 启动 T1 线程。
• 调用 T1.join()，这将使当前线程（假设是主线程）等待直到 T1 完成。
• 启动 T2 线程，并调用 T2.join()。
• 最后启动 T3 线程，并调用 T3.join()。

这种方式简单直接，但可能不是最高效的，因为每个线程都必须完全完成之后下一个线程才会开始。

CountDownLatch (倒计时门栓)

• 创建两个 CountDownLatch 对象，latch1 初始化为 1，用于控制 T2 的开始；latch2 也初始化为 1，用于控制 T3 的开始。
• 在 T2 的开始处调用 latch1.await()，在 T3 的开始处调用 latch2.await()。
• 在 T1 完成其工作后调用 latch1.countDown()。
• 在 T2 完成其工作后调用 latch2.countDown()。

CyclicBarrier (循环屏障)

• 创建一个带有三个参与方的 CyclicBarrier 对象 barrier。
• 让 T1 执行它的任务然后调用 barrier.await()。
• 当 T1 达到屏障点，它会等待直到其他线程也到达。
• 接着启动 T2，让它执行任务并调用 barrier.await()。
• 最后启动 T3 并重复上述过程。

Semaphore (信号量)

• 创建两个信号量 semaphore1 和 semaphore2，初始许可数设为 0。
• 在 T2 的开始处调用 semaphore1.acquire()，在 T3 的开始处调用 semaphore2.acquire()。
• 在 T1 完成后调用 semaphore1.release()。
• 在 T2 完成后调用 semaphore2.release()。

自定义锁或条件变量

• 使用 ReentrantLock 和 Condition 来创建更复杂的同步逻辑，允许你精确控制线程之间的唤醒和等待条件。

选择哪种方法取决于你的具体需求，例如性能要求、代码清晰度、以及是否需要可重用性等。对于简单的顺序执行来说，join 方法可能是最容易理解和实现的方式。而对于更复杂的情况或者当你需要更多控制的时候，可以考虑使用 CountDownLatch, CyclicBarrier, 或者 Semaphore。

2.SynchronizedMap和ConcurrentHashMap有什么区别？

SynchronizedMap 和 ConcurrentHashMap 都是 Java 中用于提供线程安全的 Map 实现，但它们在实现方式和性能特性上有显著的区别。

SynchronizedMap

• 同步包装：SynchronizedMap 是通过 Collections.synchronizedMap() 方法创建的一个静态工厂方法返回的对象。它实际上是在一个已有的 Map 实例（如 HashMap 或 TreeMap）之上包裹了一层同步机制。
• 锁粒度：对于所有对 Map 的操作（读取、写入），SynchronizedMap 使用同一个锁。这意味着如果一个线程正在执行写操作，那么所有的其他试图访问该 Map 的线程（不论是读还是写）都必须等待当前操作完成。 性能影响：由于所有操作都需要获取同一个锁，因此在高并发环境下，SynchronizedMap 可能会导致严重的性能瓶颈。

ConcurrentHashMap

• 分段锁定：ConcurrentHashMap 采用了更细粒度的锁定机制。它将整个 Map 分成多个段（Segment，默认为16），每个段相当于一个小的哈希表，并且有自己的锁。当进行插入或更新操作时，只有涉及到的段会被锁定，而其他段仍然可以被其他线程访问。
• 非阻塞读取：从 Java 8 开始，ConcurrentHashMap 进一步优化，移除了读操作的锁定需求。它使用了 CAS（Compare-And-Swap）等无锁算法来保证读取操作的原子性和一致性，这使得读操作几乎不会受到写操作的影响。 更高的并发性：由于其设计上的优势，ConcurrentHashMap 在多线程环境中提供了比 SynchronizedMap 更高的并发性和更好的性能。

总结

• 如果你有一个低并发的应用场景，或者对性能要求不高，SynchronizedMap 可能已经足够用了。
• 对于高并发的应用场景，特别是当你有很多线程同时读写 Map 时，ConcurrentHashMap 是一个更好的选择，因为它提供了更好的性能和更高的并发处理能力。

3.什么是线程安全？

线程安全（Thread Safety）是指一个多线程环境中，一个类、函数或数据结构可以在多个线程中被并发访问而不会导致错误的状态或者不一致的数据。在多线程环境下，程序可能会有多个线程同时执行相同的代码段，并且可能同时读取和修改共享资源（如变量、对象属性等）。如果这些操作没有得到适当的同步控制，就可能导致以下问题：

• 竞态条件（Race Condition）：当两个或更多的线程试图同时读取或写入某个共享资源时，最终的结果依赖于线程的调度顺序，这可能导致不可预测的行为。
• 死锁（Deadlock）：两个或更多线程互相等待对方持有的资源释放，从而导致所有涉及的线程都陷入无限期的等待状态。
• 活锁（Livelock）：线程不断改变其状态以响应其他线程的动作，但没有取得任何进展。
• 优先级反转（Priority Inversion）：高优先级的线程由于等待低优先级线程持有的资源而无法及时运行。

为了确保线程安全，开发者可以采取多种策略和技术，例如：

• 使用同步机制：如 Java 中的 synchronized 关键字、显式锁（Lock 接口）、原子变量（AtomicInteger 等）、读写锁（ReentrantReadWriteLock），以及高级同步工具（CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore 等）来协调线程间的访问。
• 避免共享可变状态：尽量减少共享变量的使用，或者使用不可变对象（Immutable Objects），因为它们一旦创建就不能修改，因此天生是线程安全的。
• 使用线程安全的集合类：如 ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 等，这些集合类内部已经实现了必要的同步逻辑。
• 使用 volatile 关键字：对于简单的布尔标志或其他单个字段，volatile 可以确保可见性和一定程度上的原子性，但它并不能保证复合操作（如检查后增加）的原子性。

总之，线程安全意味着即使在并发情况下，程序仍然能够正确地处理数据，保持数据的一致性和完整性。实现线程安全的方式取决于具体的应用场景和需求。

4.Thread类中的yield方法有什么作用？

Thread.yield() 方法是 Java 中线程类的一个静态方法，它的作用是提示当前正在执行的线程暂停，以便给其他线程一个运行的机会。具体来说：

• 提示调度器：yield() 提示线程调度器当前线程愿意让出 CPU 时间片，并允许其他相同优先级或更高优先级的线程获得执行机会。但是需要注意的是，yield() 只是一个提示，它并不保证当前线程会立即让出 CPU 或者其他线程会马上得到执行。
• 不改变线程状态：调用 yield() 不会使当前线程进入等待（Waiting）或阻塞（Blocked）状态，而只是从运行状态（Running）回到就绪状态（Runnable），等待下一次被调度。
• 不确定的行为：由于线程调度依赖于 JVM 和底层操作系统的实现，因此 yield() 的实际行为可能会有所不同。在某些情况下，即使调用了 yield()，当前线程也可能会再次被选中继续执行，特别是当没有其他同优先级的线程准备好运行时。
• 使用场景：yield() 通常用于那些希望主动释放 CPU 资源以提高其他线程响应性的场合。然而，在实践中，yield() 并不是控制并发行为的主要手段，更常用的是通过同步机制和显式锁来管理线程间的协作。
• 性能考虑：频繁地调用 yield() 可能会对性能产生负面影响，因为它引入了额外的线程调度开销。此外，它也可能导致非预期的线程执行顺序，这在需要严格控制线程执行顺序的情况下是不可取的。

5.Java线程池中submit() 和 execute()方法有什么区别？

在 Java 中，线程池（java.util.concurrent.ExecutorService）提供了 submit() 和 execute() 两种方法来提交任务给线程池执行。这两种方法的主要区别在于它们的返回值和功能特性：

execute(Runnable command)

• 参数类型：只接受 Runnable 类型的任务。
• 返回值：void，即没有返回值。这意味着当你调用 execute() 方法时，你无法直接获取到任务的执行结果或异常信息。
• 用途：适用于那些不需要返回结果的任务，或者你不关心任务执行后的状态。

submit()

submit() 方法实际上有三个重载版本：

submit(Runnable task)

• 参数类型：接受 Runnable 类型的任务。
• 返回值：返回一个 Future<?> 对象。尽管任务本身不返回任何结果，但你可以使用这个 Future 对象来检查任务是否完成、取消任务或等待任务完成。

submit(Runnable task, T result)

• 参数类型：除了 Runnable 类型的任务外，还允许指定一个默认的结果值。
• 返回值：返回一个 Future 对象。如果任务成功完成，则可以使用 Future.get() 方法获取这个预设的结果值；如果任务抛出了异常，则可以通过 Future.get() 捕获异常。

submit(Callable task)

• 参数类型：接受 Callable 类型的任务，这种任务可以在完成后返回一个结果。
• 返回值：返回一个 Future 对象，通过它可以获取任务的返回值或捕获任务执行期间抛出的异常。

总结

• 如果你需要提交一个不会返回结果的任务，并且你也不打算监控它的执行情况，那么 execute() 是一个简单的方法。
• 如果你需要跟踪任务的状态，或者任务会返回一个结果，或者任务可能抛出异常并且你需要处理这些异常，那么你应该使用 submit() 方法。
• 选择哪种方法取决于你的具体需求。对于更复杂的任务，特别是那些需要返回结果或处理异常的情况，submit() 提供了更大的灵活性和更强的功能。