同步与并发：Java的同步舞蹈

现在，我们将深入探讨同步与并发，这是确保多线程程序正确性和效率的关键，就像是Java的同步舞蹈。

1 并发的概念

并发是指在多处理器系统中，多个操作或多个线程同时进行执行。在Java中，这意味着能够有效地利用多核处理器资源，提高程序性能。

2 线程间的通信

线程间的通信主要依靠共享内存，而同步机制确保了线程在访问共享资源时的一致性和线程安全。

3 同步方法

在Java中，可以通过synchronized关键字来同步方法，确保一次只有一个线程可以执行该方法。

示例代码：

public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void doWork() {
        // 仅允许一个线程同时执行这个方法
    }
}

4 同步块

同步块提供了更细粒度的控制，允许只同步代码的一部分。

示例代码：

public class SynchronizedBlock {
    private final Object lock = new Object();

    public void doWork() {
        synchronized (lock) {
            // 仅允许一个线程同时执行括号内的代码
        }
    }
}

5 可见性

可见性是指一个线程对共享变量的修改能够被其他线程看到。在Java中，volatile关键字可以保证变量的可见性。

示例代码：

public class Visibility {
    private volatile boolean active = true;

    public void stop() {
        active = false;
    }

    public void doWork() {
        while (active) {
            // 工作代码
        }
    }
}

6 死锁

死锁发生在两个或多个线程相互等待对方释放资源，导致程序无法继续执行。避免死锁是并发编程中的一个挑战。

7 避免死锁的策略

• 锁定顺序：总是以相同的顺序获取锁。

• 锁定超时：尝试获取锁时使用超时。

• 死锁检测：周期性地检查死锁并手动解决。

8 并发工具

Java的java.util.concurrent包提供了多种并发工具，如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等，这些工具帮助程序员更容易地处理复杂的并发问题。

示例代码（CountDownLatch）：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class LatchExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int totalThreads = 5;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(totalThreads);

        for (int i = 0; i < totalThreads; i++) {
            new Thread(new Worker(latch)).start();
        }

        latch.await(); // 等待所有线程完成
        System.out.println("All threads have finished execution");
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private final CountDownLatch latch;

        public Worker(CountDownLatch latch) {
            this.latch = latch;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                // 执行工作
            } finally {
                latch.countDown(); // 完成时计数减一
            }
        }
    }
}

9 并发集合

java.util.concurrent包还提供了线程安全的并发集合，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，它们为并发程序提供了高效的数据结构。

示例代码（ConcurrentHashMap）：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentMapExample {
    private static ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

    public static void main(String[] args) {
        map.put(1, "One");
        map.put(2, "Two");

        // 可以安全地由多个线程访问和修改
    }
}

通过这一节的学习，你现在应该对Java中的同步与并发有了深入的理解。同步与并发是确保多线程程序正确性和效率的关键，它们允许程序在多核处理器上高效运行。掌握这些概念，可以帮助你编写出既正确又高效的并发程序。下一节，我们将探讨线程池与并发工具，这是Java的分身管理器，用于管理线程的创建和执行。