java如何切换创造

Java编程语言中的切换创造（context switching）通常涉及在多线程或多进程编程中管理并发操作。Java通过线程管理、线程池、协作式多任务处理实现切换创造。线程管理是指在Java中创建和管理线程，线程池是为了高效地管理线程资源，而协作式多任务处理则是指通过线程间的协调来实现并发操作。下面将详细介绍这些方面。

一、线程管理

1.1 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。前者是直接从Thread类派生新的类，而后者更为灵活，可以将任务与线程分离。以下是两种创建线程的方法：

继承Thread类

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running...");
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

实现Runnable接口

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running...");
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
        thread.start();
    }
}

1.2 线程的生命周期

Java线程的生命周期包括以下几种状态：

新建（New）：线程对象已经创建，但尚未启动。
就绪（Runnable）：线程已经启动，等待CPU调度。
运行（Running）：线程正在执行。
阻塞（Blocked）：线程因某种原因被挂起，等待重新调度。
终止（Terminated）：线程执行完毕或被强制终止。

1.3 线程的优先级

Java线程有优先级，范围从1到10，默认优先级为5。可以通过setPriority()方法设置线程优先级，但实际效果依赖于操作系统的线程调度机制。

Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
thread.start();

二、线程池

2.1 什么是线程池

线程池是一种线程管理机制，通过预先创建一定数量的线程，避免了频繁创建和销毁线程的开销。Java中的java.util.concurrent包提供了多种线程池实现，如FixedThreadPool、CachedThreadPool、ScheduledThreadPool等。

2.2 使用线程池

以下是使用ExecutorService创建固定大小的线程池的示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new MyRunnable());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}
class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running...");
    }
}

2.3 线程池的优点

使用线程池有以下几个优点：

减少资源消耗：通过重复利用线程，减少了创建和销毁线程的开销。
提高响应速度：线程池中的线程可以立即执行任务。
提高线程管理的可控性：可以通过线程池的配置来控制线程的数量和行为。

三、协作式多任务处理

3.1 什么是协作式多任务处理

协作式多任务处理（Cooperative Multitasking）是指多个线程通过相互协调共同完成任务。Java中的协作通常通过线程间的通信和同步来实现。

3.2 线程间的通信

Java提供了多种线程间通信的机制，如wait()、notify()和notifyAll()方法。这些方法需要在同步块内调用，确保线程安全。

示例：生产者-消费者模型

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
public class ProducerConsumer {
    private Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private final int LIMIT = 10;
    private final Object lock = new Object();
    public void produce() throws InterruptedException {
        int value = 0;
        while (true) {
            synchronized (lock) {
                while (queue.size() == LIMIT) {
                    lock.wait();
                }
                queue.add(value++);
                lock.notify();
            }
        }
    }
    public void consume() throws InterruptedException {
        while (true) {
            synchronized (lock) {
                while (queue.isEmpty()) {
                    lock.wait();
                }
                int value = queue.poll();
                System.out.println("Consumed " + value);
                lock.notify();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ProducerConsumer pc = new ProducerConsumer();
        Thread producerThread = new Thread(() -> {
            try {
                pc.produce();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });
        Thread consumerThread = new Thread(() -> {
            try {
                pc.consume();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });
        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }
}

3.3 线程同步

线程同步是指在多线程环境下，确保多个线程对共享资源的访问是安全的。Java提供了多种同步机制，如sychronized关键字、ReentrantLock类等。

使用synchronized关键字

public class Counter {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

使用ReentrantLock类

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Counter {
    private int count = 0;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public int getCount() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

四、线程的中断与停止

4.1 线程的中断

中断是指请求线程停止当前操作并抛出一个中断信号。在Java中，可以通过interrupt()方法中断线程，并通过isInterrupted()或Thread.interrupted()方法检查线程是否被中断。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println("Thread is running...");
            }
        });
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        thread.interrupt();
    }
}

4.2 线程的停止

线程的停止是指终止线程的执行。Java不推荐使用Thread.stop()方法停止线程，因为它是不安全的。通常，通过中断或设置标志位来安全地停止线程。

public class Main {
    private static volatile boolean running = true;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (running) {
                System.out.println("Thread is running...");
            }
        });
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        running = false;
    }
}

五、并发工具类

5.1 CountDownLatch

CountDownLatch是一个同步辅助类，用于使一个或多个线程等待其他线程完成操作。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
        Runnable task = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
            latch.countDown();
        };
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
        latch.await();
        System.out.println("All tasks completed");
    }
}

5.2 CyclicBarrier

CyclicBarrier是一个同步辅助类，使一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("Barrier reached");
        });
        Runnable task = () -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is waiting");
                barrier.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is released");
            } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}

5.3 Semaphore

Semaphore是一个计数信号量，用于控制同时访问特定资源的线程数量。

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        Runnable task = () -> {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
                Thread.sleep(1000);
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}

六、并发集合类

6.1 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是一个线程安全的哈希表，通过分段锁机制实现高效并发访问。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", 1);
        map.put("key2", 2);
        Runnable task = () -> {
            map.put("key3", 3);
            System.out.println(map);
        };
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}

6.2 ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链表的无界线程安全队列。

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
        queue.add(1);
        queue.add(2);
        Runnable task = () -> {
            queue.add(3);
            System.out.println(queue);
        };
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}

6.3 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的ArrayList，通过写时复制机制实现并发安全。

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        Runnable task = () -> {
            list.add(3);
            System.out.println(list);
        };
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}

总结

切换创造在Java中主要通过线程管理、线程池、协作式多任务处理来实现。线程管理包括创建线程、线程的生命周期和优先级设置。线程池通过预先创建线程资源来提高效率。协作式多任务处理通过线程间的通信和同步来实现高效并发。此外，并发工具类和并发集合类提供了丰富的工具和数据结构，进一步简化了并发编程。了解这些机制并灵活应用，可以有效地管理和优化Java应用程序的并发性能。