如何理解Java中的并發(fā)？

Java 中的并發(fā)（Concurrency） 指多個任務(wù)在同一時間段內(nèi)交替執(zhí)行（宏觀上同時進行，微觀上可能是 CPU 快速切換調(diào)度），目的是提高程序效率，充分利用系統(tǒng)資源（如 CPU、內(nèi)存、I/O 等）。

一、為什么需要并發(fā)？

資源利用率最大化
當(dāng)程序執(zhí)行 I/O 操作（如讀寫文件、網(wǎng)絡(luò)請求）時，CPU 通常處于空閑狀態(tài)。通過并發(fā)，可在等待 I/O 時讓 CPU 處理其他任務(wù)，避免資源浪費。
例如：一個下載文件的程序，在等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時，可同時解析已下載的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
響應(yīng)速度提升
對于交互式程序（如 GUI 應(yīng)用、服務(wù)器），并發(fā)能避免單任務(wù)阻塞導(dǎo)致的界面卡頓或請求超時。
例如：Web 服務(wù)器同時處理多個用戶的請求，而非逐個排隊處理。

二、并發(fā)的核心概念

1. 線程（Thread）與進程（Process）

進程：程序的一次執(zhí)行過程，是系統(tǒng)資源分配的基本單位（有獨立的內(nèi)存空間）。
線程：進程內(nèi)的執(zhí)行單元，是 CPU 調(diào)度的基本單位（共享進程的內(nèi)存空間）。
關(guān)系：一個進程可包含多個線程（多線程），線程間切換成本遠低于進程切換。

2. 并行（Parallelism）與并發(fā)（Concurrency）的區(qū)別

并發(fā)：多個任務(wù)“交替執(zhí)行”（CPU 切換速度快，看起來同時進行），適用于單 CPU 或多 CPU。
并行：多個任務(wù)“同時執(zhí)行”（需多 CPU 核心，每個核心處理一個任務(wù)）。
例如：4 核 CPU 同時運行 4 個線程是并行，1 核 CPU 快速切換 4 個線程是并發(fā)。

三、Java 實現(xiàn)并發(fā)的方式

Java 提供了多種并發(fā)編程工具，核心是通過線程實現(xiàn)：

1. 基礎(chǔ)方式

繼承 Thread 類：重寫 run() 方法定義任務(wù)，調(diào)用 start() 啟動線程。
實現(xiàn) Runnable 接口：定義任務(wù)邏輯，通過 Thread 類包裝并啟動（推薦，避免單繼承限制）。

實現(xiàn) Callable 接口：與 Runnable 類似，但可返回結(jié)果并拋出異常，配合 Future 獲取結(jié)果。

// Callable 示例
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class CallableDemo {
     
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
     
        // 1. 定義任務(wù)（有返回值）
        Callable<Integer> task = () -> {
     
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i <= 100; i++) {
     
                sum += i;
            }
            return sum;
        };

        // 2. 包裝任務(wù)
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task);

        // 3. 啟動線程
        new Thread(futureTask).start();

        // 4. 獲取結(jié)果（會阻塞直到任務(wù)完成）
        System.out.println("1-100的和：" + futureTask.get()); // 輸出5050
    }
}

2. 線程池（ThreadPoolExecutor）

頻繁創(chuàng)建/銷毀線程會消耗資源，線程池通過復(fù)用線程提高效率，是生產(chǎn)環(huán)境的首選。
Java 提供 Executors 工具類快速創(chuàng)建線程池：

  import java.util.concurrent.ExecutorService;
  import java.util.concurrent.Executors;

  public class ThreadPoolDemo {
   
      public static void main(String[] args) {
   
          // 創(chuàng)建固定大小的線程池（3個線程）
          ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);

          // 提交5個任務(wù)（線程池會復(fù)用3個線程處理）
          for (int i = 0; i < 5; i++) {
   
              int taskId = i;
              pool.submit(() -> {
   
                  System.out.println("處理任務(wù)" + taskId + "，線程：" + Thread.currentThread().getName());
              });
          }

          // 關(guān)閉線程池
          pool.shutdown();
      }
  }

四、并發(fā)帶來的問題及解決方案

并發(fā)雖提高效率，但多線程共享資源時會引發(fā)問題：

1. 線程安全問題

當(dāng)多個線程同時操作共享數(shù)據(jù)（如全局變量、集合），可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。
示例：兩個線程同時對變量 count 做 ++ 操作，預(yù)期結(jié)果為 2，實際可能為 1（因 ++ 是多步操作，可能被打斷）。

2. 解決方案

synchronized 關(guān)鍵字：通過“鎖”保證同一時間只有一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼（修飾方法或代碼塊）。

public class SynchronizedDemo {
     
    private static int count = 0;
    private static final Object lock = new Object(); // 鎖對象

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
        Thread t1 = new Thread(() -> {
     
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
     
                synchronized (lock) {
      // 同步代碼塊：同一時間只有一個線程進入
                    count++;
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
     
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
     
                synchronized (lock) {
     
                    count++;
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join(); // 等待線程執(zhí)行完畢
        t2.join();
        System.out.println("count最終值：" + count); // 正確輸出20000
    }
}

java.util.concurrent 工具類：提供線程安全的集合（如 ConcurrentHashMap）、原子類（如 AtomicInteger）、鎖機制（如 ReentrantLock）等，比 synchronized 更靈活。

五、并發(fā)編程的核心挑戰(zhàn)

可見性：一個線程修改的共享變量，其他線程可能無法立即看到（因 CPU 緩存導(dǎo)致）。
解決方案：使用 volatile 關(guān)鍵字（保證變量修改后立即刷新到主內(nèi)存）。
原子性：一個操作不可被中斷（如 count++ 實際是“讀-改-寫”三步，非原子操作）。
解決方案：synchronized、原子類（AtomicInteger）。
有序性：CPU 可能對指令重排序優(yōu)化，導(dǎo)致代碼執(zhí)行順序與預(yù)期不一致。
解決方案：volatile、synchronized 或顯式內(nèi)存屏障。

六、總結(jié)

并發(fā)的本質(zhì)：通過多線程交替執(zhí)行，提高資源利用率和程序響應(yīng)速度。
核心問題：線程安全（數(shù)據(jù)不一致），需通過鎖機制或并發(fā)工具解決。
實踐建議：優(yōu)先使用線程池管理線程，避免手動創(chuàng)建；復(fù)雜場景下借助 java.util.concurrent 包的工具類（如 CountDownLatch、Semaphore）簡化開發(fā)。

posted @ 2025-10-28 10:49 小前端攻城獅閱讀(7) 評論(0) 收藏舉報

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