第11章-多线程与并发
多线程编程中的同步和并发问题解析
多线程编程中的同步和并发问题解析在多线程编程中，同步和并发是两个关键的概念，主要涉及到多个线程之间的协同工作和共享资源的管理。
了解和解决同步和并发问题是保证多线程程序正确执行的关键。
一、同步问题同步问题是指多个线程之间的协作和按照一定的顺序执行。
在多线程编程中，可能会遇到以下几种同步问题：1.竞态条件（Race Condition）：竞态条件是指多个线程竞争共享资源导致的问题。
当多个线程对同一共享资源进行读写操作时，可能会出现不可预期的结果。
例如，一个线程在读取共享资源的同时，另一个线程可能在修改这个资源，导致读取的结果不正确。
解决竞态条件的常见方法是使用互斥锁（Mutex）来保证对共享资源的排他访问，确保同一时间只有一个线程能够对共享资源进行操作。
2.死锁（Deadlock）：死锁是指多个线程互相等待对方释放资源导致的无法继续执行的情况。
当多个线程都在等待对方释放资源时，将无法继续执行下去，形成死锁。
解决死锁问题的方法可以使用资源分级策略，即按照一定的顺序请求资源，释放资源也按照相反的顺序进行。
这样能够避免多个线程同时请求相同的资源，从而降低死锁的可能性。
3.饥饿（Starvation）：饥饿是指某个线程由于资源被其他优先级高的线程占用而无法获得所需的资源，无法继续执行的情况。
解决饥饿问题的方法可以使用公平调度策略，即按照请求的先后顺序分配资源，避免某个线程长时间无法获得资源的情况。
二、并发问题并发问题是指多个线程同时执行，可能会导致不可预期的结果。
在多线程编程中，可能会遇到以下几种并发问题：1.数据竞争（Data Race）：数据竞争是指多个线程同时读写共享数据导致的问题。
当多个线程对同一数据进行读写操作时，可能会出现不一致的结果。
例如，一个线程正在写入数据，同时另一个线程正在读取这个数据，导致读取的结果不正确。
解决数据竞争问题的常见方法是使用原子操作（Atomic Operation）或者互斥锁来保证对共享数据的原子性操作，确保多个线程对数据的访问不会出现冲突。
多线程知识点总结大全
多线程知识点总结大全一、基本概念1. 程序、进程和线程程序是指令和数据的集合，存储在外存储器中，是静态的。
进程是指一个程序的执行实例，包括程序计数器、寄存器和堆栈等。
线程是进程中的一个执行单元，可以独立运行并共享进程的资源。
2. 并发和并行并发是指系统能够同时执行多个独立的任务。
并行是指系统能够同时执行多个指令。
并发和并行是相互关联、相互影响的两个概念。
3. 线程的状态线程具有多种状态，包括新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态。
线程在不同的状态之间切换，进而实现并发执行的效果。
二、线程的创建和管理1. 创建线程在Java中，线程可以通过继承Thread类或实现Runnable接口来创建。
在C++中，可以使用pthread库来创建线程。
2. 线程的生命周期线程的生命周期包括新建、就绪、运行、阻塞和死亡等多个阶段。
程序员需要了解线程的生命周期，合理管理线程的状态转换。
3. 线程的调度线程的调度是指操作系统调度器根据线程的优先级和调度算法来决定线程的执行顺序。
合理的线程调度可以提高程序的运行效率。
4. 线程的优先级线程的优先级可以设定为1~10，不同的操作系统可能会有所不同。
高优先级的线程会得到更多的CPU时间片，提高执行效率。
5. 线程的终止线程可以通过return语句或抛出异常来终止执行。
程序员需要合理地通过编程技巧来管理线程的终止。
三、多线程间的通信和同步1. 线程间的通信线程间的通信是指多个线程之间通过共享内存或消息传递来交换信息。
通信方式包括共享变量、管程、信号量和消息队列等多种方式。
2. 共享变量共享变量是线程之间进行通信最为常见的方式，但也容易引发线程安全问题。
需要使用锁或者其他同步机制来确保共享变量的安全访问。
3. 管程管程是一种高级的线程通信方式，其中包含共享变量和用来对共享变量进行操作的过程。
管程可以提供更加方便和安全的线程通信方式。
4. 信号量信号量是一种计数器，用于控制对资源的访问。
Java并发编程：处理多线程和并发问题的解决方案
Java并发编程：处理多线程和并发问题的解决方案Java并发编程是处理多线程和并发问题的重要方法之一。
在现代软件开发领域中，由于硬件平台的发展和业务需求的不断增加，使用多线程编程成为必不可少的技能。
在Java中，我们可以使用多种方式来处理多线程和并发问题，其中包括使用线程池、锁、并发集合、原子类、volatile关键字等。
下面我们将详细介绍一些解决方案，帮助开发者更好地处理多线程和并发问题。
1.使用线程池线程池是一种用来管理线程的技术，能够有效地控制线程的数量，避免线程创建和销毁的开销。
在Java中，通过Executor框架可以简单地创建一个线程池，然后提交任务给线程池执行。
示例代码：```javaExecutorService executor =Executors.newFixedThreadPool(5);executor.submit(() -> {//执行任务});```2.使用锁在多线程环境下，我们常常需要确保共享资源的安全访问。
使用锁可以避免线程间的竞争条件，确保共享资源的原子性操作。
在Java 中，可以使用synchronized关键字或者显式地使用Lock对象来加锁。
示例代码：```javaObject lock = new Object();synchronized (lock) {//排他性操作}Lock lock = new ReentrantLock();lock.lock();try {//排他性操作} finally {lock.unlock();}```3.使用并发集合Java提供了一些并发安全的集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，可以在并发环境下安全地操作集合对象。
示例代码：```javaMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();map.put("key", "value");List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();list.add("element");```4.使用原子类Java提供了一些原子类，如AtomicInteger、AtomicLong等，可以确保线程安全地操作共享变量。
Java语言程序设计-多线程与并发
11.1 概述
Java语言提供了完善的线程支持机制以及丰富的线程API，其中最为常用的是 Thread类和Runnable接口，它们均位于ng包下。
进程与程序的区别主要体现在： (1) 进程不能脱离于计算机而存在，处于存活状态 (即运行中) 的进程会占用某些 系统资源，如CPU时间、内存空间、外设访问权等，而程序仅占据外存。 (2) 进程是动态的代码，若不运行程序，则操作系统不会创建相应的进程。此外， 可 以 创 建 同 一 个 程 序 的 多 个 进 程 。 例 如 ， 在 Windows中 同 时 运 行 多 次 notepad.exe，任务管理器中将出现多个名为“记事本”的进程。 (3) 进程消亡时就不存在了，而对应的程序仍然存在。
11.1 概述
Ø 多任务与多线程
多任务是指操作系统中同时运行着多个进程，因此有时也称为多进程。
多线程则是指同一进程中的某些控制流程被多个线程同时执行。
多任务与多线程是并发在不同级别的体现——前者是进程级别，而后者则是 线程级别。
换句话说，多任务是站在操作系统的角度来看并发，而多线程则是站在进程 的角度来看并发。
11.2 线程状态控制
Ø join方法
【例11.3】将两个并行线程合并为一个串行线程。
1、main方法由虚拟机的主线程调用，即main方法对应着主线程。 2、多次运行可能得到不同结果，但总有一个规律——主线程最后且连续输 出3 ~ 8。
11.2 线程状态控制
Ø yield方法
yield方法是无参的静态方法，其使当前线程对象主动让出CPU的使用权，以 使其它线程有机会执行。调用此方法后，当前线程对象将回到可运行状态。 【例11.4】创建两个计数线程，当计数到7的倍数时，让出CPU使用权。
C语言的多线程编程与并发执行
多线程编程与并发执行的介绍什么是多线程编程？多线程编程是一种软件开发技术，它允许程序同时执行多个任务。
在传统的单线程编程中，程序在执行完一个任务后才能开始执行下一个任务。
而在多线程编程中，程序可以同时执行多个任务，从而提高了程序的性能和响应速度。
为什么要进行多线程编程？多线程编程可以提高程序的并发性和响应能力。
通过同时执行多个任务，可以使程序更好地利用计算资源，并且可以提高程序的吞吐量和执行效率。
此外，多线程编程还可以简化复杂任务的处理，提高程序的可维护性和扩展性。
多线程编程的基本概念线程线程是程序执行的最小单位，它可以独立执行一段代码。
一个程序可以同时存在多个线程，并且这些线程可以并发执行。
并发执行并发执行是指多个线程同时执行任务的能力。
在多线程编程中，线程可以同时执行不同的任务，从而实现并发执行。
同步与互斥多个线程同时执行时，可能会访问共享资源。
为了保证共享资源的正确性，需要使用同步机制，比如锁和信号量，来实现线程间的互斥和同步。
线程调度线程调度是指操作系统根据一定的策略决定哪个线程先执行，哪个线程暂停执行，以及如何分配计算资源给每个线程。
C语言的多线程编程C语言是一种强大的编程语言，它提供了多线程编程的支持。
C语言中的多线程编程主要通过线程库来实现，比如POSIX线程库（pthread）和Windows线程库。
POSIX线程库（pthread）POSIX线程库是一种用于多线程编程的标准API，它可以让C语言程序在各种操作系统上进行多线程编程。
POSIX线程库提供了一组函数用于创建、管理和同步线程，并且提供了线程调度的支持。
Windows线程库Windows线程库是微软Windows操作系统上的多线程编程支持。
与POSIX线程库类似，Windows线程库也提供了一组函数用于创建、管理和同步线程，并且提供了线程调度的支持。
如何使用C语言进行多线程编程？创建线程在C语言中，可以使用pthread库或Windows线程库来创建线程。
编程中的并发和多线程处理技巧
编程中的并发和多线程处理技巧在当代软件开发领域，同时处理多个任务是一种常见的需求。
并发编程和多线程处理技巧就成为了必备的技能。
本文将探讨编程中的并发处理与多线程技巧，并介绍一些实践中的经验与建议。
一、并发处理的概念与挑战并发是指两个或多个事件在同一时间段内发生，并且事件之间相互独立。
在编程中，我们常常碰到需要同时处理多个任务的情况。
然而，并发处理面临着一些挑战，包括数据竞争、死锁、资源争用等问题。
1. 数据竞争数据竞争是指多个线程同时访问共享数据，可能导致数据的不一致性。
为了避免数据竞争，我们可以通过同步机制来控制对共享数据的访问，如使用互斥锁、信号量等。
2. 死锁死锁是指两个或多个线程无限期地等待彼此持有的资源。
为避免死锁，我们需要合理地管理资源的使用顺序，避免循环依赖及资源浪费。
3. 资源争用资源争用是指多个线程竞争有限资源，可能导致效率下降。
在编程中，我们可以使用线程池、缓冲区等技术来优化资源的利用，提高系统的并发性能。
二、多线程处理技巧1. 合理设计线程间通信多线程处理中，线程之间需要进行通信以实现数据传输与共享。
常见的线程间通信方式包括共享内存、消息队列、信号量等。
在设计线程间通信时，我们应该考虑数据安全性、效率以及代码可维护性。
2. 避免线程阻塞线程阻塞是指线程由于等待某种条件而暂停执行。
为了避免线程阻塞导致的性能问题，我们可以使用非阻塞的同步机制，如使用轮询与回调机制代替传统的阻塞调用。
3. 使用线程池线程池是一种复用线程的机制，可以避免频繁地创建与销毁线程，从而节省系统资源。
通过合理地调整线程池的大小与配置，可以提高并发处理的效率。
4. 使用并发数据结构Java中提供了一些并发数据结构（如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等），这些数据结构具备高效的线程安全性能，可以提高并发处理的效率。
三、实践中的经验与建议1. 优化锁的使用在并发处理中，锁的使用是关键。
第11章 多线程(第4版)
个迚程在其执行过程中可以产生多个线程，形成多条执 行线路。
Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线
11.1.2 线程的状态与生命周期
程，新建线程在它的一个完整的生命周期内通常 要经历五种状态。通过线程的控制与调度可使线 程在这几种状态间转化。 1．新建状态(Newborn) 2．就绪状态(Runnable) 3．运行状态(Running) 4．阻塞状态(Blocked) 5．消亡状态(Dead) 过程如教材图11.1所示。
语言中实现多线程的方法有两种，一种是继承
ng包中的Thread类，另一种是用户在定义 自己的类中实现Runnable接口。但不管采用哪种 方法，都要用到Java语言类库中的Thread类以及 相关的方法。
11.2.1 利用Thread类的子类来创建线程
Thread类的构造方法见教材表11.1所示，其常用方法如
见例11.1
11.2.2 用Runnable接口来创建线程
语言Runnable接口只有一个方法run()，用户可
以声明一个类并实现Runnable接口，并定义run() 方法，将线程代码写入其中，就完成了这一部 分的任务。但是Runnable接口并没有任何对线程 的支持，还必须创建Thread类的实例，这一点通 过Thread类的构造方法来实现。
本章主要内容
程序、进程、多任务、线程的概念与区别
线程的生命周期
创建线程的两种方法
多线程的同步控制 线程间的通信
11.1 线程的概念
多线程(Multithread)是指在同一个程序中
同时存在几个执行体，按几条不同的执行路 径共同工作的情况。
11.1.1 程序、进程、多任务与线程
见例11.7
并发和多线程关系
并发和多线程关系
因此，多线程是一种实现并发的方式。通过多线程，可以将一个程序分为多个线程，每个 线程负责执行不同的任务，从而实现任务的并发执行。多线程可以提高程序的效率和响应速 度，同时也可以充分利用多核ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理器的计算能力。
然而，多线程也带来了一些问题，如线程间的同步和互斥、资源竞争、死锁等。正确地管 理和控制多线程的执行是很重要的，以避免出现问题。
总结起来，多线程是一种实现并发的方式，通过将一个程序分为多个线程来并发执行不同 的任务。并发可以通过多种方式实现，多线程只是其中的一种方式。
并发和多线程关系
并发和多线程是两个相关但不完全相同的概念。
并发是指多个任务在同一时间段内执行，这些任务可以是独立的、相互无关的，或者是相 互依赖的。并发可以通过多种方式实现，如多线程、多进程、协程等。
多线程是指在一个程序中同时执行多个线程，每个线程都是独立的执行流。多线程可以实 现并发，即多个线程可以在同一时间段内并发执行不同的任务。
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11.1 概述
➢ 多任务与多线程
严格来说，只有那些具有多个CPU的机器才支持真正意义上的并发。对于那 些计算密集型的程序 (即程序执行时间主要耗费在CPU运算上，如计算圆周 率小数点后一百万位、大矩阵相乘等)，将程序编写为多个线程并将它们分 派到各个CPU上并发执行，将大大缩短计算时间。
进程与程序的区别主要体现在： (1) 进程不能脱离于计算机而存在，处于存活状态 (即运行中) 的进程会占用某些 系统资源，如CPU时间、内存空间、外设访问权等，而程序仅占据外存。 (2) 进程是动态的代码，若不运行程序，则操作系统不会创建相应的进程。此外 ， 可 以 创 建 同 一 个 程 序 的 多 个 进 程 。 例 如 ， 在 Windows 中 同 时 运 行 多 次 notepad.exe，任务管理器中将出现多个名为“记事本”的进程。 (3) 进程消亡时就不存在了，而对应的程序仍然存在。
JAVA语言程序设计
第11章 多线程与并发
11.1 概述 11.2 线程状态控制 11.3 案例实践11：数字秒表 11.4 并发控制 11.5 案例实践12：生产者与消费者问题
11.1 概述
现代操作系统均支持多任务 (Multi-tasking)，即同一时刻可以执 行多个程序。例如，在用Word编辑文档的同时，播放器在播放 音乐、下载程序在下载文件等。
即使对同一个程序而言，可能也需要同时执行多个“小任务” 。例如，在线音乐播放器在播例子称为并发 (Concurrent) 程序，前一种并发由操 作系统实现，而后一种并发通常以多线程 (Multi-threading) 方 式实现。
11.1 概述
➢ 线程状态及调度
1. 线程的状态 与对象一样，线程也具有生命周期。
① 新建：线程被创建后所处的状态。
② 可运行：此时的线程有资格运行，但线程调度程序尚未将其选定以进入运 行状态。所有处于可运行状态的线程组成了一个集合——可运行线程池。
③ 运行：线程调度程序从可运行池中选定一个线程并运行，该线程即进入运 行状态。运行中的线程可以回到可运行状态，也可以进入阻塞状态。
无论多任务还是多线程，它们通常能缩短完成某些（或某项）任务的时间， 从而提高了系统资源的利用率。
11.1 概述
➢ 多任务与多线程
从理论上说，CPU在任一时刻只能执行一条指令，那么，为什么那些只具有 一个CPU 的机器也支持并发呢？ 1、不是所有的进程在任一时刻都需要使用到CPU资源。例如，CPU在执行某 个进程的同时，另一个进程可能正在访问I/O设备，此时的两个进程完全可 以同时执行。 2、操作系统让CPU交替执行这些进程。当多个进程同时需要CPU为自己服务 时，操作系统会依据某种选择策略让CPU选择其中一个执行，并在很短的一 段时间后切换到另一个进程执行，如此下去。
线程调度一般由操作系统中的线程调度程序负责，对于Java程序，则由Java 虚拟机负责。
11.1 概述
➢ 线程状态及调度
线程调度的模型有两种——分时模型和抢占模型： ① 分时模型：所有线程轮流获得CPU的使用权，每个线程只能在指定的时间 内享受CPU的服务，一旦时间到达，就必须将CPU的使用权让给另一个线程 。分时模型下，线程并不会主动让出CPU。
② 抢占式模型：线程调度程序根据线程的优先级（Priority）来分配CPU的服 务时间，优先级较高的线程将获得更多的服务时间。抢占模型下，线程可以 主动让出CPU的使用权，以使那些优先级较低的线程有机会运行。
显然，抢占模型比分时模型更加灵活，允许编程者控制更多的细节，Java采 用了抢占式线程调度模型。
通常情况下，多个进程间不能 (也不应) 相互访问，除非通过操作系统或某些 特定的通信管道 (如系统剪贴板、文件、网络连接等)。从系统资源的角度看 ，每个进程都占据着一段专属于自身的内存空间，其他进程无权访问。相比 之下，同属于一个进程的多个线程却可以共享该进程的内存空间，这也是多 任务与多线程最大的区别所在。
11.1 概述
➢ 程序、进程与线程
1. 程序（Program） 程序是指令与数据的集合，通常以文件的形式存放在外存中，也就是说，程序是 静态的代码，其可以脱离于计算机而存在——例如，存储在U盘中的程序。
2. 进程（Process） 进程就是运行中的程序，有时也称为任务 (Task)。操作系统运行程序的过程即是 进程从创建、存活到消亡的过程。
11.1 概述
➢ 程序、进程与线程
3. 线程（Thread） 线程是进程中能够独立执行的实体 (即控制流程)，是CPU调度和分派的基本 单位。线程是进程的组成部分——进程允许包含多个同时执行的线程，这些 线程共享进程占据的内存空间和其他系统资源。可见，线程的“粒度”较进 程更小，在多个线程间切换所致的系统资源开销要比在多个进程间切换的开 销小得多，因此，线程也称为轻量级的进程。
④ 阻塞：处于阻塞状态的线程并未终结，只是由于某些限制而暂停了。当特 定事件发生时，处于阻塞状态的线程可以重新回到可运行状态。
⑤ 终结：线程运行完毕后便处于终结状态，此后不能再回到可运行状态。
11.1 概述
➢ 线程状态及调度
2. 线程的调度 当多个线程处于可运行状态时，它们进入可运行线程池排队等待CPU为其服 务。依据一定的原则（如先到先服务），从可运行线程池中选定一个线程并 运行，这就是线程的调度。
11.1 概述
➢ 多任务与多线程
多任务是指操作系统中同时运行着多个进程，因此有时也称为多进程。
多线程则是指同一进程中的某些控制流程被多个线程同时执行。
多任务与多线程是并发在不同级别的体现——前者是进程级别，而后者则是 线程级别。
换句话说，多任务是站在操作系统的角度来看并发，而多线程则是站在进程 的角度来看并发。
需要注意，Java虚拟机调度线程的准确时机是无法预期的。因此，编程时不 要对多个线程的执行顺序做任何假设——特别是对那些优先级相近的多个线 程。