并发编程学习笔记
【摘要】 一、并发编程是什么并发编程，简单来说，就是在同一时间段内，程序可以执行多个任务。与顺序编程不同，并发编程允许程序中的多个部分同时推进，充分利用计算机的多核资源，提高系统的整体性能。在现实生活中，我们可以将并发类比为餐厅的服务流程：厨师在烹饪食物的同时，服务员可以为顾客点菜、上菜，多个任务同时进行，提高餐厅的运营效率。在计算机领域，并发编程涵盖了多线程、多进程、异步 I/O 等多种技术。其中，...
一、并发编程是什么
并发编程，简单来说，就是在同一时间段内，程序可以执行多个任务。与顺序编程不同，并发编程允许程序中的多个部分同时推进，充分利用计算机的多核资源，提高系统的整体性能。在现实生活中，我们可以将并发类比为餐厅的服务流程：厨师在烹饪食物的同时，服务员可以为顾客点菜、上菜，多个任务同时进行，提高餐厅的运营效率。
在计算机领域，并发编程涵盖了多线程、多进程、异步 I/O 等多种技术。其中，多线程编程是最常见的并发编程方式之一。线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，如内存空间、文件描述符等，通过并发执行，提高程序的执行效率。
二、为什么需要并发编程
1. 提升性能
在单核处理器时代，程序通过分时复用的方式模拟并发执行，虽然在宏观上多个任务似乎在同时进行，但在微观上，处理器同一时刻只能执行一个任务。而多核处理器的出现，为真正的并发执行提供了硬件基础。通过并发编程，将多个任务分配到不同的核心上执行，可以充分利用多核处理器的计算能力，大大缩短程序的执行时间。
2. 增强响应性
在交互式应用中，如桌面应用、Web 应用等，用户希望系统能够实时响应用户的操作。如果采用顺序编程，当一个任务执行时间较长时，整个应用将处于阻塞状态，无法响应用户的其他操作。而并发编程可以将耗时的任务放到后台线程中执行，主线程继续响应用户的输入，提高应用的响应性和用户体验。
3. 充分利用资源
在一些场景中，如网络通信、文件 I/O 等，操作往往需要等待外部设备的响应，这段时间内处理器处于空闲状态。通过并发编程，可以在等待的同时执行其他任务，充分利用处理器资源，提高系统的整体利用率。
三、并发编程的常见问题与解决方案
1. 线程安全问题
当多个线程同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致或其他错误，这就是线程安全问题。例如，多个线程同时对一个计数器进行加 1 操作，由于线程切换的不确定性，可能会导致最终的结果与预期不符。
为了解决线程安全问题，常见的方法有同步机制和锁机制。在 Java 中，可以使用synchronized关键字来实现同步，确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。例如：
class Counter {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}此外，Java 还提供了java.util.concurrent.atomic包，其中的原子类如AtomicInteger、AtomicLong等，通过硬件级别的原子操作，实现了无锁的线程安全。
2. 死锁问题
死锁是并发编程中另一个常见的问题，当两个或多个线程相互等待对方释放资源时，就会发生死锁。例如，线程 A 持有资源 1，等待资源 2；线程 B 持有资源 2，等待资源 1，此时两个线程都无法继续执行，形成死锁。
为了避免死锁，可以采用以下策略：
- 避免嵌套锁：尽量减少锁的嵌套使用，降低死锁发生的可能性。
- 设置锁超时：为锁设置超时时间，当等待锁的时间超过设定值时，放弃等待，释放已持有的资源。
- 使用资源排序：对资源进行排序，所有线程按照相同的顺序获取资源，避免资源获取顺序不一致导致的死锁。
3. 性能问题
虽然并发编程可以提高性能，但如果使用不当，反而会导致性能下降。例如，过多的线程切换会消耗大量的 CPU 资源，锁的竞争会导致线程阻塞，降低系统的并发度。
为了优化并发性能，可以采用以下方法：
- 线程池：使用线程池来管理线程，避免频繁创建和销毁线程，降低线程创建和销毁的开销。
- 减少锁的粒度：尽量缩小锁的保护范围，只对必要的资源进行加锁，降低锁的竞争程度。
- 无锁编程：采用无锁数据结构和算法，如 CAS（Compare - And - Swap）操作，避免锁带来的性能开销。
四、并发编程实践：Java 并发包的应用
Java 提供了丰富的并发编程工具，其中java.util.concurrent包（简称 JUC 包）是 Java 并发编程的核心。下面通过几个示例，介绍 JUC 包中常用类的使用。
1. 线程池的使用
线程池可以有效地管理线程，提高线程的复用率。在 Java 中，可以使用ThreadPoolExecutor类来创建线程池。例如：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int task = i;
executorService.submit(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is processing task " + task);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
executorService.shutdown();
}
}2. 并发集合的使用
JUC 包提供了一系列线程安全的并发集合，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。这些集合在多线程环境下具有更好的性能和安全性。例如：
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class ConcurrentHashMapExample {
public static void main(String[] args) {
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key1", 1);
map.put("key2", 2);
System.out.println(map.get("key1"));
}
}3. 同步工具类的使用
JUC 包还提供了一些同步工具类，如CountDownLatch、CyclicBarrier等，用于协调多个线程之间的执行。例如，CountDownLatch可以让一个线程等待其他多个线程完成任务后再继续执行：
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class CountDownLatchExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int n = 3;
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(n);
for (int i = 0; i < n; i++) {
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
latch.countDown();
}
}).start();
}
latch.await();
System.out.println("All tasks are completed");
}
}五、总结
并发编程是一项复杂而又强大的技术，它为我们提供了提升软件性能和响应性的有效途径。通过本文的介绍，相信你对并发编程有了更深入的理解，包括其基本概念、常见问题及解决方案，以及在 Java 中的实践应用。
在实际开发中，要根据具体的业务需求和场景，合理运用并发编程技术。同时，不断积累经验，深入理解并发编程的原理和机制，才能编写出高效、稳定的并发程序。
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