第二章：Java并发编程基础-Java高并发秒杀入门与实战

当前位置:　首页>> 技术小册>> Java高并发秒杀入门与实战

### 第二章：Java并发编程基础

在Java开发中，并发编程是提升应用性能、处理高并发请求（如秒杀系统）的关键技术之一。本章将带领读者踏入Java并发编程的世界，从基础概念出发，逐步深入到并发工具的使用和并发模式的实践，为后续的秒杀系统实现打下坚实基础。

#### 2.1 并发与并行的概念

**2.1.1 并发（Concurrency）**

并发指的是在同一时间段内，多个任务都在执行，但这些任务并不是在同一时刻点同时运行。它们通过时间片轮转、任务切换等方式，在宏观上表现为“同时”进行。Java通过线程（Thread）实现并发，每个线程可以看作是CPU执行的一个实体，Java虚拟机（JVM）允许在一个进程中创建多个线程来并发执行任务。

**2.1.2 并行（Parallelism）**

并行则是指多个任务在同一时刻点真正的同时执行，这需要多个处理器（CPU核心）的支持。在拥有多核CPU的计算机上，Java的并行执行能够显著提升程序的执行效率，尤其是在处理大量计算密集型任务时。

#### 2.2 Java线程基础

**2.2.1 线程的创建与启动**

Java中创建线程主要有以下几种方式：

1. **继承Thread类**：通过继承`java.lang.Thread`类并重写其`run()`方法来实现。然后创建该类的实例并调用`start()`方法来启动线程。

2. **实现Runnable接口**：实现`java.lang.Runnable`接口的`run()`方法，并将实现类的实例传递给`Thread`类的构造器，最后通过`start()`方法启动线程。这种方式更加灵活，因为Java不允许多重继承，但可以实现多个接口。

3. **实现Callable接口结合Future使用**：`Callable`接口类似于`Runnable`，但它可以返回一个结果，并且可以抛出异常。`Future`用于接收`Callable`任务执行的结果。

4. **使用Executor框架**：Java并发API提供了`Executors`工厂类，用于创建不同类型的线程池（ThreadPool），这些线程池可以帮助我们更方便地管理线程的生命周期和资源。

**2.2.2 线程的状态**

Java中的线程具有多种状态，包括新建（NEW）、就绪（RUNNABLE）、阻塞（BLOCKED）、等待（WAITING）、超时等待（TIMED_WAITING）和终止（TERMINATED）。理解这些状态对于编写高效的并发程序至关重要。

#### 2.3 线程同步与通信

**2.3.1 线程同步**

由于多个线程可能同时访问共享资源，如果不加以控制，就可能导致数据不一致的问题。Java提供了多种机制来实现线程同步，主要包括：

- **synchronized关键字**：可以用于方法或代码块上，确保同一时刻只有一个线程可以执行该方法或代码块。
- **volatile关键字**：用于标记变量，保证变量的可见性和有序性，但不保证原子性。
- **Lock接口**：提供了比synchronized更灵活的锁机制，包括尝试非阻塞地获取锁、可中断地获取锁、超时获取锁等。

**2.3.2 线程通信**

线程间的通信通常通过共享对象来实现。Java提供了几种方式来实现线程间的通信：

- **wait/notify/notifyAll**：`wait()`方法使当前线程等待，直到其他线程调用`notify()`或`notifyAll()`方法。这些方法必须配合`synchronized`关键字使用。
- **Condition接口**：`Lock`接口中的`Condition`条件变量提供了比`wait/notify`更灵活的多条件等待/通知机制。
- **共享变量**：通过改变共享变量的值来通知其他线程状态的改变。

#### 2.4 并发工具类

Java并发包（`java.util.concurrent`）提供了丰富的并发工具类，极大地简化了并发编程的复杂性。

**2.4.1 并发集合**

并发集合提供了比同步集合更高的并发级别，常见的并发集合有`ConcurrentHashMap`、`CopyOnWriteArrayList`等。这些集合内部通过细粒度的锁或其他并发机制来保证线程安全。

**2.4.2 原子类**

`java.util.concurrent.atomic`包下的原子类通过CAS（Compare-And-Swap）操作来保证操作的原子性，常用于实现无锁编程。常见的原子类有`AtomicInteger`、`AtomicLong`、`AtomicReference`等。

**2.4.3 并发工具类**

- **CountDownLatch**：允许一个或多个线程等待其他线程完成一组操作。
- **CyclicBarrier**：允许一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个公共屏障点。
- **Semaphore**：用于控制对共享资源的访问数量，实现资源池的概念。
- **Exchanger**：用于两个线程间交换数据。

#### 2.5 并发模式与最佳实践

**2.5.1 并发模式**

并发模式是在并发编程中总结出来的一系列可复用的设计经验和解决方案，如生产者-消费者模式、读写者模式、线程池模式等。掌握这些模式可以帮助我们更好地设计和实现并发程序。

**2.5.2 最佳实践**

- **避免共享数据**：尽量使用局部变量或线程局部变量，减少线程间的数据共享。
- **使用线程安全类**：优先考虑使用Java并发包中的线程安全类。
- **减少锁的粒度**：避免使用大范围的锁，尽量只锁定必要的资源。
- **避免死锁**：注意锁的顺序和锁的释放，避免循环等待条件。
- **使用无锁编程**：在可能的情况下，使用原子类或其他无锁技术来提高性能。

#### 2.6 实战演练

通过前面的理论学习，我们可以进行一些简单的实战演练来加深理解。例如，实现一个简单的生产者-消费者模型，使用`BlockingQueue`作为共享队列；或者使用`ExecutorService`来创建一个线程池，执行一组并行任务。

#### 结语

本章介绍了Java并发编程的基础知识，包括并发与并行的概念、Java线程的基本操作、线程同步与通信机制、并发工具类的使用以及并发模式与最佳实践。通过本章的学习，读者应该能够掌握Java并发编程的基本框架，为后续的深入学习和实践打下坚实基础。在后续章节中，我们将继续探讨秒杀系统的具体实现，包括高并发场景下的数据库访问优化、缓存策略、消息队列的使用等高级话题。

该分类下的相关小册推荐：

Mybatis合辑1-Mybatis基础入门

Java语言基础4-数组详解

Java语言基础1-基础知识

手把手带你学习SpringBoot-零基础到实战

Java语言基础7-Java中的异常

深入理解Java虚拟机

JAVA 函数式编程入门与实践

Java语言基础2-运算符

Java必知必会-JDBC

Java语言基础8-Java多线程

Java语言基础12-网络编程

Java并发编程实战