Java多线程编程全面解析：从基础概念到实战应用

1. 多线程编程概述

1.1 什么是线程

线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。与进程相比，线程具有以下特点：

• 共享资源：同一进程内的多个线程共享进程的内存空间和系统资源
• 轻量级：线程创建、切换和销毁的开销远小于进程
• 并发执行：多线程可以实现真正的并行（多核CPU）或伪并行（单核CPU的时分复用）

1.2 为什么需要多线程

在现代编程中，多线程技术至关重要，主要因为：

1. 提高程序响应性：GUI程序使用多线程保持界面响应
2. 充分利用多核CPU：现代CPU多为多核心，多线程可以充分发挥硬件性能
3. 简化建模：某些问题（如仿真）用多线程模型更自然
4. 提高吞吐量：I/O密集型任务中，线程可以在等待I/O时让出CPU

1.3 Java线程模型

Java从语言层面支持多线程编程，主要通过：

• java.lang.Thread类
• java.lang.Runnable接口
• java.util.concurrent包（JUC）

Java线程与操作系统线程是1:1映射关系，由JVM通过操作系统API实现。

2. 线程创建与启动

2.1 继承Thread类

class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {System.out.println("线程运行中: " + Thread.currentThread().getName());}
}public class ThreadExample {public static void main(String[] args) {MyThread thread = new MyThread();thread.start();  // 启动线程}
}

特点：

• 简单直接
• 由于Java单继承限制，不够灵活
• 线程与任务耦合

2.2 实现Runnable接口

class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println("Runnable线程: " + Thread.currentThread().getName());}
}public class RunnableExample {public static void main(String[] args) {Thread thread = new Thread(new MyRunnable());thread.start();// Lambda表达式简化new Thread(() -> System.out.println("Lambda线程")).start();}
}

优势：

• 避免继承限制
• 任务与线程解耦
• 便于资源共享

2.3 实现Callable接口（带返回值）

import java.util.concurrent.*;class MyCallable implements Callable<String> {@Overridepublic String call() throws Exception {Thread.sleep(1000);return "Callable结果";}
}public class CallableExample {public static void main(String[] args) throws Exception {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Future<String> future = executor.submit(new MyCallable());System.out.println("获取结果: " + future.get());executor.shutdown();}
}

特点：

• 可以返回结果
• 可以抛出异常
• 通常与ExecutorService配合使用

3. 线程生命周期与状态控制

3.1 线程生命周期状态

Java线程在其生命周期中可以处于以下状态：

1. NEW：新建但未启动
2. RUNNABLE：可运行（可能在运行或等待CPU）
3. BLOCKED：等待监视器锁（synchronized）
4. WAITING：无限期等待（wait()/join()）
5. TIMED_WAITING：限期等待（sleep()/wait(timeout)）
6. TERMINATED：线程终止

Thread thread = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000);  // TIMED_WAITING} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
});
System.out.println(thread.getState());  // NEWthread.start();
System.out.println(thread.getState());  // RUNNABLEThread.sleep(500);
System.out.println(thread.getState());  // TIMED_WAITINGThread.sleep(1000);
System.out