Java 中的多线程与异步

10 Sept 2024 | 4 分钟阅读

在动态的 Java 开发世界中，创建稳定且响应迅速的应用程序需要有效的任务管理。Java 的并发可以通过异步编程和多线程来实现。

Java 中的多线程

多线程的概念允许在单个程序中同时运行多个线程。使用 Java 可以编写能够一次处理多个任务的程序。每个线程代表一个独立的控制流。Java 中用于多线程的关键类包括 Thread 和 Runnable。

多线程的特点

并行执行：多个线程可以同时独立运行。
资源共享：当线程共享内存或其他资源时，可能会导致数据同步问题。
复杂性：由于多线程代码使用共享资源，因此编写起来可能很困难且容易出错。

Multithreading.java

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int j = 1; j <= 3; j++) {
            System.out.println("Child Thread: " + j);
            try {
                Thread.sleep(1000); 
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(e);
            }
        }
    }
}
public class Multithreading {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start(); 
        for (int  t = 1; t <= 2; t++) {
            System.out.println("Main Thread: " + t);
            try {
                Thread.sleep(1000); 
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(e);
            }
        }
    }
}

输出

Child Thread: 1
Main Thread: 1
Child Thread: 2
Main Thread: 2
Child Thread: 3

Java 中的异步

异步编程是一种允许任务独立于主程序流执行的编程范式。Java 中提供了 CompletableFuture 类用于异步编程。

异步编程的特点

非阻塞：异步代码不会妨碍主程序的执行。
回调机制：使用回调或 Future 来处理任务完成后的结果。
无需线程即可实现并发：这种方法在不使用多个线程的情况下实现了并发。

Asynchronous.java

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class Asynchronous {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            for (int r = 1; r <= 5; r++) {
                System.out.println("Asynchronous Task: " + r);
                try {
                    Thread.sleep(500); 
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(e);
                }
            }
        });
        // Code in the main thread, not blocked by the asynchronous task
        System.out.println("Main Thread: Doing other work");
        future.join(); // Wait for the asynchronous task to complete if needed
    }
}

输出

Main Thread: Doing other work
Asynchronous Task: 1
Asynchronous Task: 2
Asynchronous Task: 3
Asynchronous Task: 4
Asynchronous Task: 5

Java 中多线程与异步的区别

特性	多线程	异步编程
并发模型	线程的并行执行。	任务的非阻塞执行。
资源共享	共享内存空间，可能发生冲突。	独立的内存空间，冲突减少。
复杂度	由于资源共享，更复杂。	更简单，避免了许多同步问题。
性能	由于线程创建和管理，可能资源密集。	高效的资源利用。
编程模型	显式创建和管理的线程。	使用 CompletableFuture 等功能进行异步编程。
错误处理	跨线程的错误处理困难。	使用 CompletableFuture 可以更轻松地处理错误。
上下文切换	涉及线程间的上下文切换，可能产生开销。	通常涉及较少的上下文切换开销。
可扩展性	对于大量线程，可能面临可扩展性挑战。	通常具有更好的可扩展性，适用于大量并发任务。
死锁和竞态条件	由于资源共享，容易发生死锁和竞态条件。	降低了发生死锁和竞态条件的可能性。
调试复杂性	由于共享资源和多个线程，调试可能很复杂。	提供更直接的调试和问题识别。
任务独立性	线程可能共享资源，导致依赖性。	任务通常是独立的，减少了依赖性。
任务协调	需要显式的协调机制，如 wait、notify 和 join。	协调通常是隐式的，利用回调、Future 和 Promise。
阻塞操作	阻塞操作可能导致线程争用和延迟。	非阻塞操作，减少争用并提高响应能力。
资源利用	由于可能创建许多线程，资源密集。	高效的资源利用，适用于资源有限的场景。
用户界面 (UI) 线程	常用于 UI 应用程序，可能导致界面无响应。	非常适合 UI 应用程序，因为它避免了阻塞 UI 线程。
灵活性	提供对线程创建和执行的细粒度控制。	使用 CompletableFuture 提供更灵活的高级抽象。
库支持	传统的与线程相关的类，如 Thread 和 ExecutorService。	现代 API，如 CompletableFuture 和响应式编程库。
兼容性	与旧版 Java 兼容性广泛。	CompletableFuture 的全面支持需要 Java 8 或更高版本。
任务取消	对单个任务的取消支持有限。	支持通过 CompletableFuture.cancel() 取消异步任务。
Wait 和 Notify	利用 wait 和 notify 进行线程间通信。	通常依赖于回调机制和 Future 的完成。
阻塞与非阻塞	更倾向于阻塞操作。	主要采用非阻塞操作以获得更好的响应能力。
易学性	对于初学者来说，学习曲线可能更陡峭。	更平易近人且直观，使某些开发人员更容易掌握。

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