Java多线程底层设计思路

在 Java 中，多线程的设计思路围绕着 任务分离 和 线程管理 这两个核心思想展开。Java 提供了不同的方式来处理多线程，包括通过继承 Thread 类、实现 Runnable 接口、实现 Callable 接口等方式。每种方式有其独特的设计目标和使用场景。接下来，我会从设计的角度详细说明这些接口的设计思路、优缺点，并与其他语言进行对比。

1. Java 中多线程设计的基本思路

Java 的多线程设计主要是通过两个关键概念来组织并发执行的任务：

• 任务（Task）：代表需要执行的工作单元。
• 工作线程（Worker Thread）：负责执行任务的线程。

Java 提供了不同的接口和类来实现这些概念。

2. Thread 类 vs Runnable 接口

Thread 类：

Thread 类是 Java 提供的最基本的多线程机制。你可以通过继承 Thread 类并重写 run() 方法来定义任务。

• 优点：

  • 简单直接：如果你只需要实现一个线程，可以继承 Thread 类并重写 run() 方法。
  • 可以直接访问线程的生命周期（如 start(), join(), sleep() 等方法）。

• 缺点：

  • 单继承限制：Java 不支持多重继承，因此，如果一个类已经继承了 Thread，就不能再继承其他类（如业务逻辑的父类）。这限制了类的复用性。
  • 任务与线程耦合：通过继承 Thread 类，线程逻辑与任务逻辑紧密耦合，不利于解耦和扩展。如果你有多个不同的任务，要为每个任务创建不同的线程子类。

Runnable 接口：

Runnable 接口是 Java 另一种定义任务的方式，提供了一个 run() 方法。你可以通过实现 Runnable 接口来定义任务，并将任务传递给线程执行。

• 优点：

  • 解耦任务与线程：实现 Runnable 接口后，你可以将任务定义与线程分离。你可以将多个不同的 Runnable 实现传递给线程执行，这样更易于重用和扩展。
  • 可以实现接口的多重继承：如果你的类已经继承了其他类，可以通过实现 Runnable 接口来实现多线程功能，不会受到 Java 单继承的限制。
  • 更适合线程池：通过 Runnable 接口，你可以将任务交给线程池进行管理，提升资源利用率。

• 缺点：

  • 需要额外的线程管理，通常会通过 Thread 对象来启动 Runnable 任务，导致线程创建和管理较为繁琐。

设计思路：

Thread 和 Runnable 的设计思路是解耦线程的管理和任务的执行，鼓励在 Java 中使用线程池管理任务。推荐的做法是使用 Runnable 或 Callable 来定义任务，再通过 ExecutorService 等工具来管理线程。

3. Callable 接口

Callable 接口与 Runnable 类似，但与 Runnable 不同的是，它允许任务在执行时返回一个结果或者抛出异常。Callable 的 call() 方法与 Runnable 的 run() 方法类似，但它支持返回值和异常处理。

• 优点：

  • 支持返回结果：Callable 可以返回任务的执行结果，可以更方便地处理异步计算的结果。
  • 支持异常处理：Callable 可以在任务执行时抛出异常，而 Runnable 不能。因此，Callable 更适合执行可能抛出异常的任务。
  • 更适合与 ExecutorService 配合：ExecutorService 提供的 submit() 方法可以接受 Callable 对象，并返回一个 Future 对象。通过 Future 可以获取任务的结果，甚至可以取消任务。

• 缺点：

  • 需要更多的代码来处理任务的返回结果和异常。如果你不需要返回值，Runnable 会是更简单的选择。

设计思路：

Callable 接口的设计是为了弥补 Runnable 接口的不足，尤其是在需要异步处理并且获取结果或处理异常时。通过与 Future 结合使用，Java 提供了一种高效的方式来管理带有返回值和异常的任务。

4. Java 设计的优点与缺点

优点：

1. 高灵活性和解耦：Java 提供了 Thread 类、Runnable 接口、Callable 接口三种方式来管理任务和线程，可以灵活选择适合的方式。
2. 任务与线程的分离：通过 Runnable 和 Callable 接口，Java 鼓励将任务逻辑与线程管理解耦。这种设计使得多线程代码更加灵活、易于维护和扩展。
3. 线程池支持：Java 通过 ExecutorService 和 ForkJoinPool 等机制提供了强大的线程池支持，可以有效地管理线程生命周期，避免了手动管理线程资源的复杂性。
4. 异常处理：Callable 接口允许抛出异常，提供了比 Runnable 更加强大的错误处理能力。

缺点：

1. 较复杂的 API：对于初学者来说，理解并掌握 Java 多线程的 API 可能有些复杂，尤其是在涉及 ExecutorService, Future, Callable 等高级特性时。
2. 性能开销：线程的创建和管理会带来一定的性能开销。在没有使用线程池的情况下，频繁创建和销毁线程可能会影响性能。

5. 与其他语言的对比

Python：

• Python 中的多线程通常通过 threading 模块来实现，但由于 Python 的 全局解释器锁（GIL），多线程的并发性较差，通常用 multiprocessing 来进行多进程并行计算。
• Python 的多线程设计较为简洁，主要通过 Thread 类和 Runnable 类似的功能来实现。但因为 GIL 的存在，Python 的线程更适用于 I/O 密集型任务。

C#：

• C# 通过 Thread 类或更常用的 Task 类来实现多线程。Task 类是基于 ThreadPool 实现的，提供了更高层次的抽象，支持异步编程。
• C# 的多线程设计与 Java 相似，但 C# 的 Task 类比 Java 的 Future 类更加简洁，且原生支持异步编程（例如 async/await 语法）。

Go：

• Go 语言的并发模型非常独特，它没有传统意义上的线程，而是通过 goroutine 来实现并发。Go 通过调度器自动管理多个 goroutine，在大规模并发中表现优异。
• Go 的设计强调轻量级的并发，可以同时启动成千上万的 goroutine，而无需像 Java 和 C# 那样显式管理线程池和线程生命周期。

总结：

Java 的多线程设计比较全面和灵活，提供了多种方式来定义任务和管理线程，特别是通过 Runnable 和 Callable 接口，可以实现任务和线程的解耦，适应不同的应用场景。与 Python 和 C# 相比，Java 的多线程设计更注重细节和灵活性，但也相对复杂。在性能方面，Java 适合用于 CPU 密集型任务，而 Python 和 Go 则分别在 I/O 密集型任务和轻量级并发任务中更具优势。

6. 具体的实际例子

在 Java 中，创建线程有两种常见方式：

1. 继承 Thread 类：
   通过继承 Thread 类并重写 run() 方法来创建线程。

2. 实现 Runnable 接口：
   通过实现 Runnable 接口并实现其 run() 方法，然后将该实现传递给 Thread 对象。

下面分别给出这两种方式的具体例子。

1. 继承 Thread 类创建线程

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running using Thread class");
    }
}

public class ThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();  // 创建线程对象
        thread.start();  // 启动线程
    }
}

解释：

• 通过继承 Thread 类，重写 run() 方法来定义线程执行的任务。
• start() 方法启动线程，内部会调用 run() 方法。

2. 实现 Runnable 接口创建线程

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running using Runnable interface");
    }
}

public class ThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();  // 创建 Runnable 实现对象
        Thread thread = new Thread(myRunnable);  // 将 Runnable 对象传给 Thread
        thread.start();  // 启动线程
    }
}

解释：

• 通过实现 Runnable 接口，并重写 run() 方法来定义线程执行的任务。
• 创建 Thread 对象时，将 Runnable 对象传递给 Thread 构造函数，然后调用 start() 方法启动线程。

总结：

• 使用 Thread 类继承可以直接扩展线程行为，适合于不需要继承其他类的场景。
• 使用 Runnable 接口可以避免多重继承的限制，适合需要实现多个接口的场景，或者多个线程共享同一个 Runnable 实现的场景。

除了继承 Thread 类和实现 Runnable 接口之外，Java 还有一些其他方式来创建和管理线程，特别是利用 Java 5 引入的 Executor 框架，这在处理线程池和并发任务时非常有用。以下是一些其他常见的场景：

3. 使用 ExecutorService 创建线程池

ExecutorService 是一个接口，它提供了比直接使用 Thread 更强大的线程管理功能，比如线程池、任务调度等。通过线程池来管理线程，可以提高效率，避免频繁地创建和销毁线程。

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        
        // 提交任务给线程池
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("Thread from thread pool is running");
        });
        
        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

解释：

• ExecutorService 通过线程池管理线程，避免了手动管理线程的复杂性。
• 通过 Executors.newFixedThreadPool() 创建一个线程池，这里设置了线程池的大小为 2。
• 使用 submit() 提交任务，线程池会自动管理线程的执行。
• shutdown() 方法用于关闭线程池，不再接受新的任务。

优点：

• 线程池可以复用线程，避免频繁创建和销毁线程，适合高并发场景。
• 支持任务的异步执行和定时任务。

4. 使用 Callable 和 Future 获取任务结果

与 Runnable 不同，Callable 接口可以返回任务执行的结果，Future 用于获取任务的执行结果或判断任务是否完成。

import java.util.concurrent.*;

public class CallableExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        
        // 创建一个 Callable 任务
        Callable<Integer> callableTask = () -> {
            System.out.println("Task is being executed by a thread");
            return 42;  // 返回结果
        };
        
        // 提交任务并获取 Future 对象
        Future<Integer> future = executorService.submit(callableTask);
        
        // 获取任务执行的结果
        Integer result = future.get();  // 阻塞直到任务完成
        System.out.println("Result from callable task: " + result);
        
        executorService.shutdown();
    }
}

解释：

• Callable 是一个可以返回结果的接口，与 Runnable 不同的是它可以返回一个 Future 对象，Future 可以获取任务的返回值。
• submit() 方法可以提交 Callable 任务，并返回 Future 对象。
• 使用 get() 方法来获取任务执行的结果，如果任务还没完成，会阻塞直到获取结果。

5. 使用 ForkJoinPool 实现分治任务

ForkJoinPool 是 Java 7 引入的并发框架，特别适用于需要将任务拆分成更小的任务并行执行的场景。它采用了“工作窃取”算法，适合递归任务或分治法。

import java.util.concurrent.*;

public class ForkJoinPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        
        // 创建一个 ForkJoinTask（在此例中是 RecursiveTask）
        RecursiveTask<Integer> task = new RecursiveTask<Integer>() {
            @Override
            protected Integer compute() {
                // 如果任务的规模较小，直接计算结果
                return 42; // 这里简化为返回固定值
            }
        };
        
        // 提交任务并获取结果
        Future<Integer> future = forkJoinPool.submit(task);
        
        try {
            Integer result = future.get();
            System.out.println("Result from ForkJoinTask: " + result);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        forkJoinPool.shutdown();
    }
}

解释：

• ForkJoinPool 用于并行计算，适合执行分治任务，如大数据量计算、递归问题等。
• 通过 RecursiveTask 可以拆分任务，最终将小任务合并结果。
• 支持异步计算和任务窃取，能有效利用多核 CPU。

6. 使用 ScheduledExecutorService 执行定时任务

ScheduledExecutorService 是 ExecutorService 的一个子接口，它支持定时任务或周期性任务的执行。可以替代传统的 Timer 类，支持线程池管理。

import java.util.concurrent.*;

public class ScheduledTaskExample {
    public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        
        // 创建一个周期性任务
        Runnable task = () -> {
            System.out.println("Scheduled task is running at: " + System.currentTimeMillis());
        };
        
        // 延迟 1 秒后开始执行，每 3 秒执行一次
        scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(task, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

解释：

• ScheduledExecutorService 提供了执行定时任务的功能，可以通过 schedule() 和 scheduleAtFixedRate() 方法来设置定时执行的任务。
• 上面的例子展示了一个周期性任务，它在 1 秒后开始执行，然后每隔 3 秒执行一次。

7. 使用 ThreadLocal 管理线程局部变量

如果你需要在多线程环境中为每个线程保留独立的变量，可以使用 ThreadLocal 类。ThreadLocal 提供了每个线程独立的变量副本，避免了线程间的数据共享问题。

public class ThreadLocalExample {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocalValue = ThreadLocal.withInitial(() -> 42);

    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            Integer value = threadLocalValue.get();
            System.out.println("Thread Local Value: " + value);
            threadLocalValue.set(value + 1); // 修改当前线程的局部变量
            System.out.println("Updated Thread Local Value: " + threadLocalValue.get());
        };

        Thread thread1 = new Thread(task);
        Thread thread2 = new Thread(task);
        
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

解释：

• ThreadLocal 为每个线程提供独立的变量副本，确保多线程环境下变量不冲突。
• 每个线程通过 get() 和 set() 方法访问自己的 ThreadLocal 变量。

总结

除了继承 Thread 类和实现 Runnable 接口，还有很多其他线程管理和并发控制的方式，包括：

• 线程池管理：使用 ExecutorService 和线程池提高并发性能。
• 获取任务结果：通过 Callable 和 Future 获取线程执行的返回结果。
• 分治计算：使用 ForkJoinPool 进行任务拆分和并行计算。
• 定时任务：使用 ScheduledExecutorService 执行定时或周期性任务。
• 线程局部变量：通过 ThreadLocal 提供线程安全的局部变量。

选择哪种方式取决于你的应用场景，线程池和 ExecutorService 等方法通常用于高并发场景，而 ThreadLocal 和 ForkJoinPool 则适用于特定类型的任务。

除了前面提到的几种常见方式来创建线程或处理并发任务，Java 还有一些其他的线程管理方式和并发控制机制，适用于特定的应用场景。下面列举一些常见的额外场景：

8. 使用 CountDownLatch 进行线程间同步

CountDownLatch 是一种同步工具，它允许一个或多个线程等待其他线程完成任务。在某些场景下，当多个线程并发工作时，你可能希望等待所有线程完成后再继续执行。

示例：等待多个线程完成工作

import java.util.concurrent.*;

public class CountDownLatchExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int threadCount = 3;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);  // 初始化一个计数器，等待 3 个线程完成
        
        // 创建并启动多个线程
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Worker(latch)).start();
        }

        // 主线程等待直到 latch 值为 0
        latch.await();
        System.out.println("All threads have finished their work!");
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private CountDownLatch latch;
    
    Worker(CountDownLatch latch) {
        this.latch = latch;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(1000);  // 模拟任务执行
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has finished its work.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            latch.countDown();  // 线程完成后，减少 latch 的计数
        }
    }
}

解释：

• CountDownLatch 通过 countDown() 方法减少计数，主线程调用 await() 等待直到计数器为 0。
• 在这个示例中，主线程会等待所有工作线程完成后才会输出“所有线程已完成工作”。

应用场景：

• 在多个线程完成各自的任务后，主线程才继续执行，例如在一些分布式计算中等待所有任务完成后再执行结果汇总。

---

9. 使用 CyclicBarrier 实现线程间的协作

CyclicBarrier 是一种用于让一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个“屏障点”后再一起执行后续任务。与 CountDownLatch 不同，CyclicBarrier 可以重用。

示例：多个线程同步执行阶段任务

import java.util.concurrent.*;

public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int threadCount = 3;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(threadCount, () -> {
            System.out.println("All threads have reached the barrier point, now continuing...");
        });
        
        // 创建并启动多个线程
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier)).start();
        }
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private CyclicBarrier barrier;
    
    Worker(CyclicBarrier barrier) {
        this.barrier = barrier;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 模拟工作阶段
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has reached the barrier.");
            
            // 等待其他线程到达屏障
            barrier.await();
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

解释：

• CyclicBarrier 用于让多个线程在特定的点相遇，直到所有线程都到达指定的屏障点时，才会执行下一步操作。
• CyclicBarrier 的构造函数允许传入一个 Runnable，在所有线程到达屏障点时执行，通常用于通知或继续下一阶段的工作。

应用场景：

• 用于分阶段的并行处理，在多个阶段执行的并行任务中，保证某个阶段的所有任务都完成之后，才能开始下一阶段。

---

10. 使用 Semaphore 控制并发访问

Semaphore 是一个计数信号量，它允许多个线程并发访问共享资源，但对可用资源的数量进行了限制。在某些情况下，我们希望限制线程对某些资源的并发访问数量。

示例：限制并发访问资源的数量

import java.util.concurrent.*;

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);  // 最多允许 2 个线程并发访问
        
        // 创建多个线程访问共享资源
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Worker(semaphore)).start();
        }
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private Semaphore semaphore;
    
    Worker(Semaphore semaphore) {
        this.semaphore = semaphore;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            semaphore.acquire();  // 获取许可
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is accessing the resource.");
            Thread.sleep(1000);  // 模拟资源访问
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has finished using the resource.");
            semaphore.release();  // 释放许可
        }
    }
}

解释：

• Semaphore 控制并发线程数目，限制同时访问共享资源的线程数量。
• acquire() 方法用于申请资源，release() 方法用于释放资源。

应用场景：

• 控制并发访问的线程数，例如数据库连接池、文件系统资源管理等场景。

---

11. 使用 Exchanger 进行线程间交换数据

Exchanger 是一个用于在两个线程间交换数据的同步点。它适合于需要在两个线程之间交换数据的场景。

示例：两个线程交换数据

import java.util.concurrent.*;

public class ExchangerExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
        
        Thread thread1 = new Thread(new Producer(exchanger));
        Thread thread2 = new Thread(new Consumer(exchanger));
        
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

class Producer implements Runnable {
    private Exchanger<String> exchanger;
    
    Producer(Exchanger<String> exchanger) {
        this.exchanger = exchanger;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            String data = "Data from producer";
            System.out.println("Producer is sending data: " + data);
            exchanger.exchange(data);  // 交换数据
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class Consumer implements Runnable {
    private Exchanger<String> exchanger;
    
    Consumer(Exchanger<String> exchanger) {
        this.exchanger = exchanger;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            String data = exchanger.exchange(null);  // 接收交换的数据
            System.out.println("Consumer received: " + data);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

解释：

• Exchanger 用于在两个线程之间交换数据。调用 exchange() 方法时，生产者线程将数据传递给消费者线程，消费者线程则返回交换的数据。

应用场景：

• 在两个线程间进行双向数据交换，如生产者消费者模式中，生产者和消费者需要交换数据时可以使用 Exchanger。

---

12. 使用 Lock 和 Condition 实现更细粒度的线程同步

Java 的 ReentrantLock 和 Condition 提供了比 synchronized 更灵活的锁机制，能够为线程提供更细粒度的控制。

示例：使用 ReentrantLock 和 Condition 实现线程同步

import java.util.concurrent.locks.*;

public class LockConditionExample {
    private static final Lock lock = new ReentrantLock();
    private static final Condition condition = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new Task1());
        Thread thread2 = new Thread(new Task2());

        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    static class Task1 implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                System.out.println("Task1 is waiting for Task2 to complete...");
                condition.await();  // 等待 Task2 完成
                System.out.println("Task1 resumed after Task2 is completed.");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class Task2 implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                System.out.println("Task2 is doing work...");
                Thread.sleep(1000);  // 模拟工作
                condition.signal();  // 唤醒 Task1
                System.out.println("Task2 has finished work and signaled Task1.");


            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

解释：

• ReentrantLock 和 Condition 提供了更灵活的线程同步机制。condition.await() 用于让线程等待，condition.signal() 用于唤醒等待的线程。
• 通过 Lock 和 Condition，可以精确控制线程之间的同步和唤醒。

应用场景：

• 在需要复杂线程协调的情况下，如多线程生产者消费者问题，或者在多个线程之间通过条件判断进行同步时使用 Lock 和 Condition。

---

总结

Java 提供了丰富的并发控制工具，除了常见的 Thread、Runnable 和线程池，还有更多高级的并发工具类，可以帮助我们处理不同类型的并发场景，如：

• CountDownLatch：等待多个线程完成。
• CyclicBarrier：多个线程在屏障点同步。
• Semaphore：控制并发访问资源。
• Exchanger：两个线程交换数据。
• Lock 和 Condition：更细粒度的线程同步控制。

根据具体的应用需求，选择适合的工具来实现高效的并发控制，能够让你的程序更可靠、更高效。

原文地址：https://blog.csdn.net/kingeret/article/details/143769822

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