Java线程安全与多线程优化-优快云博客

本文深入探讨Java中的线程安全概念，包括线程的创建、状态及应用场景，详细解析线程池技术、锁机制、原子类以及线程安全容器的实现，旨在优化多线程环境下的程序执行效率。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

线程安全包括多线程环境下，各个线程执行时，临界资源的安全性；也包括，如何让确定高并发下，线程数量的创建，在有限的资源下如何让达到计算机最优效率。

线程的基本概念

1. 线程的定义

在计算机中，线程是这样定义的：线程是计算机运行的基本的单位，一个进程拥有多个线程，多个线程共享同一个进程拥有的系统资源。而在Java中，我们可以将线程定义为：计算机指令的集合，可以用来执行一个任务。

2. Java中线程的创建

2.1 实现Runnable接口

2.2 new Thread对象

2.3 线程池中实现Callable接口，重写call方法，提交一个任务到线程池中。

Java创建的线程是依靠操作系统的线程，Java中生成线程需要耗费的资源为：

1、生成一个Java对象，会耗费堆内存。

2、操作系统生成一个线程，会耗费操作系统内存。

3. 线程的状态

3.1 NEW状态

Java中new一个线程（还没调用start方法）时，该线程处于NEW状态。

线程创建时（如Java中Thread调用start方法之后）处于就绪状态，等待操作系统的调度。

3.2 RUNNABLE状态

线程处于CPU正在执行的状态下。

3.3 BLOCKED状态

线程处于阻塞状态，线程等待进入一个同步代码块。

3.4 WAITING状态

线程等待其他线程通知执行，比如调用Object的wait方法，等待其他线程调用notify或notifyAll方法；调用线程的join方法，等待其他线程执行完成等。

3.5 TIMED_WAITING状态

线程处于多长时间的等待状态，调用这些方法可以进入这种状态：Thread.sleep\TimeUnit.sleep、Object.wait、Thread.join、LockSupport.parkNanos、LockSupport.parkUntil

3.6 TERMINATED状态

线程执行结束，处于终止状态。

4. 守护（daemon）线程

守护线程是系统后台守护其他线程正常执行、销毁的线程，守护线程在其被守护所有线程执行完成后也会自动销毁。

多线程应用场景分析

使用多线程，主要是解决现代计算机，CPU与内存等其他电脑硬件运行速度不匹配的问题，现代计算机CPU的运行速度非常块。在高并发场景下，如何利用多线程提高系统的并发性；创建线程过多，系统调度会变得困难，甚至于操作系统内存会用完，造成系统卡死。创建线程过少，CPU的利用率不高。如何再两者之间平衡创建线程的多少，对于优化程序执行效率起着决定性的作用。为此，下面分析两种场景：

1、系统任务多是执行IO等任务，这样CPU就长时间处于正在等待；这时，我们可以适当多的创建线程，使CPU的执行效率达到最高，一般我们可以创建CPU核心数的20-30倍的线程数。

2、系统执行任务是计算密集型的，每个线程在CPU的执行时间都特别长，这时，再创建过多的线程对于系统的优化并无·意义，反而会造成线程执行等待时间长，响应慢等问题。此时，一般我们可以创建CPU核心数的2-3倍线程数量即可。

另外创建线程也许需要CPU执行的，也是需要时间执行的；如果再某种场景下，线程的创建+线程的销毁时间>线程的执行时间，那么这时，创建线程就完全无意义了，直接在主线程下执行反而更有效率。

一个Java程序最少有以下五个线程：

JVM线程
线程名	作用
Attach Listener	Attach Listener线程是负责接收到外部的命令，而对该命令进行执行的并且吧结果返回给发送者。
Signal Dispatcher	signal dispather线程去进行分发到各个不同的模块处理命令，并且返回处理结果。
Finalizer	调用对象的finalize方法的线程，JVM中防止GC时多个线程同时调用对象的finalize方法，造成不安全的问题
Reference Handler	主要用于处理引用对象本身的垃圾回收问题
Main	应用程序main方法线程

线程池

通过前面的分析，我们知道，系统创建线程是需要耗费资源（内存和CPU）的，计算机的资源是有限的，为了能最大程度提高系统效率，我们需要实现线程的可重用，避免系统重复的创建和销毁线程，这时，我们就需要用到线程池技术。

JDK中线程池都是实现了Executor接口，该接口只有一个方法，即execute线程方法；ExecutorService接口继承了Executor接口，将线程池变为服务，声明了关闭线程池提交任务等方法：

1、 ThreadPoolExecutor主要是通用线程池的实现。此处不做详述，可以参考下文中关于线程池的部分：

https://github.com/bennet-xiao/springboot-duubo-demo/blob/master/notes/Java.md

2、 ForkJoinPool 主要基于JDK中的ForkJoin框架实现，将一个复杂任务查分成多个任务，分别执行后汇总，主要用于计算型特别密集的任务

4、ScheduledThreadPoolExecutor 线程池的定时任务的默认实现，主要提供以下几个方法：

Executors为JDK中提供的创建线程池工具类，不建议使用，此处不做详述。

Java中对锁的实现主要提供了以下几种：

1、synchronized关键字

1.1 修饰普通方法

限制该对象的一个方法在同一时间内只能由一个线程进入执行。

1.2 修饰代码块

限制该对象的这块代码在同一时间内只能由一个线程进入执行。

1.3 修饰静态方法

限制该类的所有对象在同一时间内只能由一个线程进入执行。

2、对象显式的调用lock和unlock方法

主要用于代码块中显式的调用控制

3、并发工具包中的ReentrantLock类实现的锁机制

其中提供了两种锁，FairSync和NonfairSync，两者都是基于同步队列AbstractQueuedSynchronizer的不同实现，其中FairSync，当一个线程尝试进入该同步代码块时，会先看队列中是否存在等待的线程，存在则排在队列最后；NonfairSync直接尝试获取锁，获取不到排到队列最后；默认构造函数为NonfairSync。