Java并发编程入门：掌握多线程与高并发的基石
Java并发编程是现代软件开发中至关重要的技能，特别是在处理高负载、多任务或实时系统时。本文将系统性地介绍Java并发编程的基础知识，帮助开发者构建高效、稳定的并发应用。
一、并发编程基础概念
1.1 并发与并行的区别
并发(Concurrency)和并行(Parallelism)是两个常被混淆但本质不同的概念：
并发：指在一个时间段内多个任务交替执行，在单核处理器上通过时间片轮转实现"同时"运行的假象
并行：指多个任务真正同时执行，需要多核处理器支持
Rob Pike的精辟总结是："并发是同一时间应对(dealing with)多件事情的能力；并行是同一时间动手做(doing)多件事情的能力。"
1.2 进程与线程
进程：操作系统资源分配的基本单位，拥有独立的内存空间
线程：CPU调度的基本单位，属于同一进程的线程共享进程的内存空间
在Java中，一个Java程序对应一个进程，而一个进程可以包含多个线程。线程的轻量级特性使得创建和切换线程比进程更高效，适合处理I/O密集型或需要快速响应的任务。
二、Java线程基础操作
2.1 线程创建方式
Java提供了三种创建线程的基本方式：
继承Thread类：
Java
class MyThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("Thread running");
}
}
// 使用
new MyThread().start();
实现Runnable接口（推荐）：
Java
class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
System.out.println("Runnable running");
}
}
// 使用
new Thread(new MyRunnable()).start();
实现Callable接口（可获取返回值）：
Java
class MyCallable implements Callable<String> {
public String call() throws Exception {
return "Result from Callable";
}
}
// 使用
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
new Thread(futureTask).start();
String result = futureTask.get(); // 获取返回值2.2 线程生命周期
Java线程在其生命周期中会经历多种状态：
NEW：线程被创建但尚未启动
RUNNABLE：线程正在JVM中执行或准备执行
BLOCKED：线程被阻塞等待监视器锁
WAITING：线程无限期等待另一个线程执行特定操作
TIMED_WAITING：线程在指定时间内等待
TERMINATED：线程已退出执行
理解这些状态及其转换关系对于调试并发程序至关重要。
三、线程同步与通信
3.1 同步控制
多线程共享资源时可能出现竞态条件，Java提供了多种同步机制：
synchronized关键字：
Java
public synchronized void syncMethod() {
// 同步代码
}
// 或同步块
public void syncBlock() {
synchronized(this) {
// 同步代码
}
}
Lock接口：
Java
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}Lock接口比synchronized更灵活，支持尝试获取锁(tryLock)、可中断锁等高级特性。
3.2 线程通信
线程间协调工作常需要通信机制：
wait()/notify()：
Java
synchronized(sharedObject) {
while(conditionNotMet) {
sharedObject.wait(); // 释放锁并等待
}
// 执行操作
sharedObject.notifyAll(); // 唤醒等待线程
}
join()：等待线程终止
Java
Thread t = new Thread(task);
t.start();
t.join(); // 当前线程等待t完成四、并发工具与集合
4.1 并发集合
传统集合如HashMap在多线程环境下不安全，Java提供了专门的并发集合：
ConcurrentHashMap：线程安全的哈希表实现，通过分段锁提高并发性能
CopyOnWriteArrayList：写时复制的线程安全列表，适合读多写少场景
BlockingQueue：支持阻塞操作的队列，常用于生产者-消费者模式
4.2 线程池
频繁创建销毁线程开销大，线程池是更高效的解决方案：
Java
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
executor.submit(() -> {
// 任务代码
});
executor.shutdown();Java提供了多种线程池实现，包括固定大小线程池、缓存线程池、定时任务线程池等。
五、并发编程三大特性
5.1 原子性
一个或多个操作要么全部执行且不被中断，要么都不执行。Java中可通过synchronized、Lock或原子类(AtomicInteger等)保证原子性。
5.2 可见性
一个线程对共享变量的修改能及时被其他线程看到。volatile关键字或同步机制可保证可见性。
5.3 有序性
程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。volatile和synchronized可防止指令重排序。
六、Java内存模型(JMM)
JMM定义了多线程与内存交互的规范，解决了多核CPU高速缓存和内存访问的原子性、可见性和有序性问题。关键概念包括：
主内存与工作内存
内存屏障
happens-before原则
理解JMM是编写正确并发程序的基础。
七、实战建议
优先使用高级并发工具：如ConcurrentHashMap、CountDownLatch等
避免过度同步：缩小同步范围，减少锁竞争
预防死锁：按固定顺序获取多个锁，设置超时
性能考量：基准测试不同并发策略，避免过早优化
线程安全设计：尽量使用不可变对象、线程封闭等模式
结语
Java并发编程是一个庞大而复杂的领域，但掌握其基础"基石"——线程模型、同步机制和内存模型，是构建高效并发应用的关键。随着硬件多核处理器的普及，并发编程能力已成为Java开发者必备的核心技能。建议通过实际项目练习，逐步深入理解Java并发编程的精髓。
