Java多线程同步、通信与控制全解析

# Java多线程同步、通信与控制全解析 ## 1. 同步方法与同步块 在多线程编程中，同步是一个关键概念，它能确保多个线程安全地访问共享资源。同步方法是实现同步的一种方式，以下是同步方法的关键要点： - 同步方法通过在方法声明前加上 `synchronized` 关键字来创建。 - 对于任何给定对象，一旦调用了同步方法，该对象将被锁定，其他执行线程不能使用该对象的同步方法。 - 其他尝试调用正在使用的同步对象的线程将进入等待状态，直到对象解锁。 - 当线程离开同步方法时，对象将解锁。 然而，创建同步方法并非在所有情况下都可行。例如，你可能想同步访问一个未被 `synchronized` 修改的方法，这可能是因为你使用的是第三方类，且无法访问其源代码。此时，可以使用同步块来解决这个问题。同步块的一般形式如下： ```java synchronized(objref) { // statements to be synchronized } ``` 这里，`objref` 是要同步的对象的引用。一旦进入同步块，在该块退出之前，其他线程不能调用 `objref` 所引用对象的同步方法。 ## 2. 并发工具与Fork/Join框架 Java中的并发工具包 `java.util.concurrent` 及其子包支持并发编程。其中提供了同步器、线程池、执行管理器和锁等，扩展了对线程执行的控制。Fork/Join框架是并发API中一个令人兴奋的特性，它支持并行编程。并行编程是指利用具有两个或更多处理器（包括多核系统）的计算机，将一个任务细分为多个子任务，每个子任务在自己的处理器上执行，从而显著提高吞吐量和性能。Fork/Join框架的主要优点是易于使用，它简化了多线程代码的开发，能自动根据系统中的处理器数量进行扩展。 ## 3. 线程通信：wait()、notify() 和 notifyAll() 在多线程环境中，线程之间的通信非常重要。假设线程 `T` 在同步方法中执行，需要访问暂时不可用的资源 `R`。如果 `T` 进入轮询循环等待 `R`，它会占用对象，阻止其他线程访问，这不是最优解决方案。更好的方法是让 `T` 暂时放弃对象的控制权，允许其他线程运行。当 `R` 可用时，`T` 可以被通知并恢复执行。Java通过 `wait()`、`notify()` 和 `notifyAll()` 方法支持线程间通信。 这些方法是 `Object` 类的一部分，因此所有对象都可以使用它们。但这些方法只能在同步上下文中调用。当线程暂时被阻止运行时，它调用 `wait()` 方法，这会使线程进入睡眠状态，并释放对象的监视器，允许其他线程使用该对象。之后，当其他线程进入同一监视器并调用 `notify()` 或 `notifyAll()` 时，睡眠的线程将被唤醒。 `Object` 类定义了以下几种形式的 `wait()` 方法： ```java final void wait() throws InterruptedException final void wait(long millis) throws InterruptedException final void wait(long millis, int nanos) throws InterruptedException ``` `notify()` 和 `notifyAll()` 的一般形式如下： ```java final void notify() final void notifyAll() ``` 调用 `notify()` 会唤醒一个等待的线程，而调用 `notifyAll()` 会通知所有等待的线程，由调度器决定哪个线程获得对象的访问权。 ### 3.1 使用 wait() 和 notify() 的示例 为了理解 `wait()` 和 `notify()` 的应用，我们创建一个模拟时钟滴答声的程序。该程序创建一个 `TickTock` 类，包含 `tick()` 和 `tock()` 两个方法，分别显示 "Tick" 和 "Tock"。通过两个线程分别调用这两个方法，目标是使程序输出一致的 "Tick Tock" 模式。 以下是 `TickTock` 类的 `tick()` 方法示例： ```java synchronized void tick(boolean running) { if (!running) { state = "ticked"; notify(); return; } System.out.print("Tick "); state = "ticked"; notify(); try { while (!state.equals("tocked")) wait(); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("Thread interrupted."); } } ``` `tock()` 方法与 `tick()` 方法类似，只是显示 "Tock" 并将状态设置为 "tocked"。 ### 3.2 避免虚假唤醒 虽然 `wait()` 通常会等待 `notify()` 或 `notifyAll()` 被调用，但在极少数情况下，等待的线程可能会因虚假唤醒而被唤醒。为了避免这种情况，Java API 文档建议在调用 `wait()` 时使用循环检查线程等待的条件。 ## 4. 死锁与竞态条件 ### 4.1 死锁 死锁是指一个线程等待另一个线程执行某些操作，而另一个线程又在等待第一个线程，导致两个线程都被挂起，无法继续执行。避免死锁需要仔细编程和彻底测试，因为死锁的原因通常在运行时才会显现，仅通过查看源代码很难理解。 ### 4.2 竞态条件 竞态条件发生在两个或多个线程在没有适当同步的情况下同时访问共享资源时。例如，一个线程可能正在向变量写入新值，而另一个线程正在增加该变量的当前值。没有同步机制，变量的新值将取决于线程执行的顺序。避免竞态条件的方法是仔细编程，确保对共享资源的访问得到适当的同步。 ## 5. 线程的挂起、恢复和停止 在早期的 Java 版本中，可以使用 `suspend()`、`resume()` 和 `stop()` 方法来控制线程的执行，但这些方法在 Java 2 中已被弃用。`suspend()` 可能会导致死锁问题，`resume()` 依赖于 `suspend()`，而 `stop()` 也可能会导致严重问题。 现在，线程必须设计