在 Java 中掌控多线程：深入探讨线程池和资源同步

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2024-01-03 00:36:02

引言

线程池和资源同步是多线程编程中的基本概念，对于构建健壮、可伸缩和高效的并发应用程序至关重要。在这篇文章中，我们将深入探讨这两个关键概念，重点关注 Java 中的实现。

线程池

什么是线程池？

线程池是预先创建并管理的线程集合，可根据需要分配给任务。它通过以下方式优化多线程性能：

减少创建线程的开销： 创建新线程成本很高，线程池通过重用现有线程来消除这一开销。
提高性能： 线程池可以动态调整线程数量，根据工作负载需求分配线程。
控制并行性： 线程池限制了同时可以运行的线程数，防止系统过载。

核心池与最大池

Java 线程池有两种主要类型的线程：

核心池： 核心池中的线程是长期存在的，不会超时。
最大池： 最大池中的线程在空闲时会超时，释放资源。

核心池大小和最大池大小定义了线程池容量的范围。当工作负载较小时，核心池中的线程可以处理任务。当工作负载增加时，最大池中的线程会自动启动。

保持存活时间

保持存活时间指定在空闲时销毁最大池线程之前，线程可以保持存活的时间量。这有助于回收不再需要的资源，同时防止过度创建线程。

资源同步

什么是资源同步？

资源同步是一种机制，用于确保多个线程同时访问共享资源时数据的完整性和一致性。如果不进行同步，并发访问可能会导致数据损坏或不一致。

锁

锁是同步资源最常用的方法。锁创建一个独占访问资源的临界区，只有一个线程可以一次进入该临界区。

原子操作

原子操作是不可被分割的单一操作，要么完全执行，要么不执行。它们在多线程环境中非常有用，因为它们可以保证操作的完整性，即使有多个线程同时尝试执行相同的操作。

并发集合

Java 提供了并发集合类，例如 ConcurrentHashMap 和 CopyOnWriteArrayList，这些类专为处理并发访问而设计，并提供自己的同步机制。

示例：同步线程池任务

假设我们有一个使用线程池来处理任务的应用程序。要确保每个任务以线程安全的方式访问共享数据，我们需要使用锁或并发集合。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SynchronizedThreadPool {

    // 创建一个线程池
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    // 共享数据
    private static ConcurrentHashMap<String, Integer> sharedData = new ConcurrentHashMap<>();

    // 创建一个锁
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 提交多个任务
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPool.submit(() -> {
                // 使用锁保护共享数据
                lock.lock();
                try {
                    sharedData.put("key-" + Thread.currentThread().getId(), (int) (Math.random() * 100));
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            });
        }

        // 等待任务完成
        threadPool.shutdown();
        threadPool.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);

        // 打印共享数据
        System.out.println("Shared data:");
        sharedData.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));
    }
}