《多線程編程》課件

多線程編程多線程編程是一種并發(fā)編程技術(shù)，允許程序在同一時間執(zhí)行多個任務(wù)。它允許程序更有效地利用系統(tǒng)資源，并提高程序的響應(yīng)速度和性能。課程概述目標(biāo)深入理解多線程編程的概念和原理，掌握多線程編程的關(guān)鍵技術(shù)，包括線程創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理。內(nèi)容從線程基礎(chǔ)知識開始，逐步講解線程的創(chuàng)建、啟動、生命周期和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并深入探討線程同步機制、線程安全問題以及線程池的使用等。應(yīng)用重點講解Java、Python和C++等主流編程語言中的多線程編程實踐，幫助學(xué)員掌握多線程編程的實際應(yīng)用方法。目標(biāo)使學(xué)員能夠獨立編寫安全高效的多線程程序，并熟練運用多線程編程解決實際問題。為什么要學(xué)習(xí)多線程編程？11.提高程序效率充分利用多核處理器，提升程序運行速度，尤其是對計算密集型任務(wù)。22.增強用戶體驗讓應(yīng)用程序響應(yīng)更迅速，避免用戶等待過長時間，提升用戶滿意度。33.提升程序并發(fā)能力支持多個任務(wù)同時執(zhí)行，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器處理多個客戶端連接，提高程序的并發(fā)處理能力。44.擴展程序功能多線程編程可以實現(xiàn)一些單線程無法實現(xiàn)的功能，例如游戲中的多角色控制。線程基礎(chǔ)線程是進(jìn)程中執(zhí)行的最小單元。一個進(jìn)程可以包含多個線程。線程共享進(jìn)程的資源，例如內(nèi)存空間、打開的文件和網(wǎng)絡(luò)連接。線程可以獨立執(zhí)行，每個線程都有自己的執(zhí)行堆棧和程序計數(shù)器。線程的創(chuàng)建和啟動1定義線程類使用Thread類或繼承Thread類創(chuàng)建線程2創(chuàng)建線程對象實例化線程類并傳遞線程執(zhí)行的代碼3啟動線程調(diào)用start()方法，開啟線程執(zhí)行線程創(chuàng)建時處于新建狀態(tài)，start()方法啟動線程，將線程狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，等待操作系統(tǒng)分配CPU資源運行。線程的生命周期1創(chuàng)建線程被創(chuàng)建但尚未啟動2就緒線程已創(chuàng)建并準(zhǔn)備運行3運行線程正在執(zhí)行任務(wù)4阻塞線程暫停運行，等待資源或事件5死亡線程完成執(zhí)行或遇到錯誤線程的生命周期是一個循環(huán)，它表示線程從創(chuàng)建到死亡的整個過程。在創(chuàng)建線程時，它處于創(chuàng)建狀態(tài)，尚未啟動。當(dāng)調(diào)用start()方法時，線程進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待操作系統(tǒng)調(diào)度器分配CPU時間片。如果線程獲得CPU時間片，它將進(jìn)入運行狀態(tài)，執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)線程遇到阻塞事件，如等待I/O操作或其他資源時，它將進(jìn)入阻塞狀態(tài)。當(dāng)線程完成執(zhí)行或遇到錯誤時，它將進(jìn)入死亡狀態(tài)，不再運行。線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換1新建(New)線程剛被創(chuàng)建出來，尚未啟動。2可運行(Runnable)線程已準(zhǔn)備就緒，等待操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。3運行(Running)線程正在執(zhí)行任務(wù)，占用CPU時間。4阻塞(Blocked)線程由于某種原因暫停執(zhí)行，例如等待I/O操作或獲取鎖。5終止(Terminated)線程執(zhí)行完畢或出現(xiàn)異常，線程生命周期結(jié)束。線程的同步定義線程同步指協(xié)調(diào)多個線程對共享資源的訪問，防止數(shù)據(jù)競爭和不一致。同步機制確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性，防止程序出現(xiàn)錯誤。常見的線程同步機制互斥鎖互斥鎖是一種最基本、最常用的同步機制。一次只允許一個線程訪問共享資源。它可以防止多個線程同時修改共享資源，從而確保數(shù)據(jù)的一致性。信號量信號量是一種更通用的同步機制，它可以用來控制對共享資源的訪問權(quán)限。信號量可以用來限制同時訪問共享資源的線程數(shù)量。條件變量條件變量用于線程之間的協(xié)作。它允許線程在等待某個條件滿足時阻塞，并在條件滿足后被喚醒。鎖的概念和分類鎖的概念鎖是一種用于控制多個線程對共享資源的訪問機制，防止數(shù)據(jù)競爭和不一致性。互斥鎖互斥鎖只允許一個線程在同一時間訪問共享資源，確保數(shù)據(jù)的一致性。讀寫鎖讀寫鎖允許多個線程同時讀取共享資源，但只能有一個線程進(jìn)行寫入操作。自旋鎖自旋鎖會不斷嘗試獲取鎖，直到成功，適用于短時間的鎖競爭。線程安全問題及解決辦法數(shù)據(jù)競爭多個線程同時訪問共享資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。死鎖多個線程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有線程都無法繼續(xù)執(zhí)行。解決方案使用同步機制，例如鎖，互斥量，信號量等。設(shè)計線程安全的類和方法。避免使用共享資源，盡可能使用線程本地存儲。死鎖的原因和預(yù)防死鎖的原因多個線程同時競爭資源，導(dǎo)致互相等待，無法繼續(xù)執(zhí)行。例如，線程A獲取資源1，等待資源2，而線程B獲取資源2，等待資源1，就形成了死鎖。預(yù)防死鎖使用資源分配順序，避免循環(huán)依賴。例如，所有線程都按資源編號順序獲取資源，就能避免死鎖。線程的調(diào)度時間片輪轉(zhuǎn)將CPU時間分成多個時間片，每個線程輪流執(zhí)行一個時間片。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)線程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級的線程會獲得更多CPU時間。搶占式調(diào)度當(dāng)一個線程正在運行時，更高優(yōu)先級的線程可以搶占其CPU時間。協(xié)作式調(diào)度線程主動放棄CPU時間，以允許其他線程運行。線程池的概念和應(yīng)用資源復(fù)用線程池預(yù)先創(chuàng)建多個線程，避免頻繁創(chuàng)建和銷毀線程，提升效率。任務(wù)管理線程池可以管理和調(diào)度多個任務(wù)，確保任務(wù)的順利執(zhí)行和資源的合理分配。性能優(yōu)化線程池可以控制線程數(shù)量，避免過多的線程占用系統(tǒng)資源，提升應(yīng)用程序的性能。應(yīng)用場景線程池廣泛應(yīng)用于服務(wù)器端應(yīng)用程序、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫連接池等領(lǐng)域。多線程的優(yōu)缺點分析1優(yōu)點提高程序效率，充分利用多核CPU的優(yōu)勢，提升程序運行速度。2優(yōu)點增強系統(tǒng)響應(yīng)能力，多個任務(wù)同時進(jìn)行，用戶體驗更加流暢，例如，在網(wǎng)頁瀏覽時，后臺下載可以繼續(xù)進(jìn)行。3缺點增加代碼復(fù)雜度，線程同步、死鎖等問題，提高了程序開發(fā)難度和維護(hù)成本。4缺點線程切換的開銷，頻繁的線程創(chuàng)建和銷毀，會占用較多的系統(tǒng)資源。多線程編程的最佳實踐代碼模塊化將任務(wù)分解成獨立的模塊，每個模塊對應(yīng)一個線程，提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。合理利用線程池線程池可以有效地管理線程，避免頻繁創(chuàng)建和銷毀線程帶來的性能損耗。充分利用同步機制使用鎖、信號量等同步機制來確保線程安全，防止數(shù)據(jù)競爭和死鎖。代碼測試和調(diào)試編寫單元測試用例，并使用調(diào)試工具來定位和解決多線程編程中的問題。Java中的多線程編程線程創(chuàng)建使用Thread類或Runnable接口創(chuàng)建線程。線程同步使用synchronized關(guān)鍵字、Lock接口和Condition接口同步線程。線程池使用Executors類創(chuàng)建線程池，提高線程管理效率。線程通信使用wait()、notify()和notifyAll()方法實現(xiàn)線程間通信。Java中線程的創(chuàng)建和啟動創(chuàng)建線程類定義一個類繼承自Thread類或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口，并重寫run()方法，其中包含線程執(zhí)行的代碼。實例化線程對象創(chuàng)建線程類的實例，并將其作為參數(shù)傳遞給Thread類構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建一個新的線程對象。啟動線程調(diào)用線程對象的start()方法啟動線程，該方法會調(diào)用run()方法開始執(zhí)行線程代碼。Java中線程的同步機制同步方法使用synchronized關(guān)鍵字修飾方法，實現(xiàn)同步訪問。在方法執(zhí)行期間，只有一個線程可以獲取鎖，其他線程等待鎖釋放。同步代碼塊使用synchronized(對象)語法定義同步代碼塊。對指定對象加鎖，確保代碼塊的原子性操作，防止數(shù)據(jù)競爭。鎖類Java提供Lock接口和ReentrantLock類實現(xiàn)更靈活的鎖機制。支持多種鎖模式，例如讀鎖、寫鎖，以及公平鎖、非公平鎖。原子操作類AtomicInteger、AtomicLong等類提供了線程安全的原子操作。無需顯式加鎖，可以保證單個操作的原子性。Java中的鎖概念互斥鎖互斥鎖是一種最基本的鎖機制，它保證同一時間只有一個線程可以訪問共享資源。讀寫鎖讀寫鎖允許多個線程同時讀取共享資源，但只有一個線程可以寫入。可重入鎖可重入鎖允許同一個線程多次獲取同一個鎖，不會出現(xiàn)死鎖。公平鎖公平鎖按照線程請求鎖的順序進(jìn)行分配，而非公平鎖則可以隨機分配。Java中的線程池11.提高資源利用率線程池可以減少線程創(chuàng)建和銷毀的開銷，提高資源利用率。22.控制線程數(shù)量通過配置線程池大小，可以避免創(chuàng)建過多的線程，從而防止系統(tǒng)資源耗盡。33.簡化線程管理線程池提供統(tǒng)一的接口，簡化了線程的創(chuàng)建、管理和回收。44.提高響應(yīng)速度線程池中的線程已經(jīng)創(chuàng)建并處于就緒狀態(tài)，可以快速響應(yīng)新的任務(wù)請求。Python中的多線程編程線程的概念Python中的線程允許程序同時執(zhí)行多個任務(wù)。GIL機制Python的全局解釋器鎖(GIL)限制了多線程的真正并行性。線程的創(chuàng)建和啟動使用`threading`模塊創(chuàng)建和管理線程，并使用`start()`方法啟動線程。線程同步使用鎖、信號量等機制防止多個線程之間的數(shù)據(jù)競爭。Python中的GIL機制全局解釋器鎖GIL是Python解釋器中的一把鎖，用于保護(hù)Python解釋器的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)存分配器和引用計數(shù)器。同一時刻，只有一個線程能夠執(zhí)行Python字節(jié)碼，其他線程必須等待GIL釋放。影響GIL的存在限制了Python的多線程編程，因為在多核CPU上，只有一個線程可以真正運行，即使有多個線程可用。這使得Python在CPU密集型任務(wù)中效率不高，但在I/O密集型任務(wù)中仍然可以有效地使用多線程。Python中的線程同步1鎖鎖機制用于保護(hù)共享資源，確保同一時間只有一個線程可以訪問。2條件變量條件變量允許線程在特定條件滿足前等待，例如資源可用。3信號量信號量用于控制同時訪問共享資源的線程數(shù)量。4事件事件對象允許線程之間相互通知，例如一個線程完成任務(wù)后通知另一個線程繼續(xù)執(zhí)行。C++中的多線程編程線程創(chuàng)建與啟動C++提供了標(biāo)準(zhǔn)庫線程類，方便創(chuàng)建和啟動線程。應(yīng)用程序可以使用std::thread對象來表示和管理線程。線程同步機制C++中的互斥鎖和條件變量是常用的線程同步機制，用于保護(hù)共享資源，防止數(shù)據(jù)競爭和死鎖。線程管理C++提供了線程池等機制，方便管理線程，提高代碼效率和資源利用率。C++中的線程同步機制互斥鎖互斥鎖是一種最基本的同步機制，一次只能允