Java 并发编程是为了更好地利用多核 CPU 的性能、提高程序的响应速度和处理效率。Java 提供了一整套并发工具和框架，帮助开发者轻松实现多线程编程。

1. 线程与进程

• 进程：是程序的执行实例，每个进程有独立的内存空间。操作系统通过进程来实现资源的隔离和独立管理。
• 线程：线程是进程内的执行单元，同一进程中的多个线程共享内存和系统资源。在 Java 中，每个线程都有自己的执行路径，是实现并发的重要基础。

2. 线程生命周期

线程在 Java 中的生命周期分为多个状态：

• 新建（NEW）：线程被创建后，还未开始执行。
• 可运行（RUNNABLE）：线程已经启动，等待 CPU 资源进行运行。
• 阻塞（BLOCKED）：线程因为需要获取锁而被阻塞，直到锁可用。
• 等待（WAITING）/超时等待（TIMED_WAITING）：线程主动等待其他线程完成特定工作，或等待指定的时间。
• 终止（TERMINATED）：线程执行完成或因为异常终止。

3. 线程安全与共享资源

• 线程安全：在多线程环境中，多个线程同时访问共享资源时，需要确保数据的一致性和正确性。如果没有合适的同步机制，可能会出现线程安全问题。
• 同步（Synchronized）：Java 提供了 synchronized 关键字用于保护共享资源，保证同一时间只有一个线程可以访问关键代码块。

4. 可见性与内存模型

• Java 内存模型（JMM）：Java 内存模型规定了在多线程环境中变量如何在主内存和线程本地缓存之间进行读写，以确保不同线程之间的可见性和一致性。
• 可见性：可见性问题指的是一个线程对变量的修改，另一个线程可能无法立即看到。volatile 关键字用于保证变量对所有线程的可见性。

5. 线程间通信

Java 提供了多种方式来实现线程之间的通信：

• wait()、notify()、notifyAll()：用于协调线程间的执行顺序，通常和 synchronized 一起使用来实现线程间的协作。
• Lock 接口与条件变量（Condition）：通过 ReentrantLock 和 Condition 实现更为灵活的线程通信。

6. 线程池

线程池是 Java 中用于管理线程的工具，避免频繁创建和销毁线程带来的性能开销。Java 提供了 ExecutorService 接口和 ThreadPoolExecutor 类来实现线程池。

• Executors 工具类：提供了创建常见线程池的方法，如 newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool() 等。
• 好处：线程池能够复用线程，减少系统资源的浪费，并对线程的数量进行管理和控制。

7. 并发工具类

Java 并发包 (java.util.concurrent) 提供了一系列强大的工具类，用于简化并发编程：

• CountDownLatch：用于实现一个或多个线程等待其他线程完成某些操作。
• CyclicBarrier：允许多个线程互相等待，直到所有线程都到达某个屏障点，再继续执行。
• Semaphore：用于控制同时访问特定资源的线程数量。
• Future 与 Callable：用于异步获取任务的执行结果。

8. 原子操作与锁

• Atomic 类：Java 提供了一些原子类（如 AtomicInteger、AtomicLong）来保证简单变量的原子性操作。
• 显示锁（Lock）：ReentrantLock 是 Lock 接口的一个实现，提供了比 synchronized 更灵活的锁机制。

9. 并发容器

Java 提供了一些线程安全的并发容器，用于替代传统的非线程安全集合类：

• ConcurrentHashMap：是线程安全的 HashMap，适用于多线程场景中高效地读写数据。
• CopyOnWriteArrayList：适用于读多写少的场景，在修改时会创建新的副本，保证并发安全。

10. Fork/Join 框架

• Fork/Join：Java 7 引入的用于并行执行任务的框架，适用于将大任务分解为多个小任务并行执行。ForkJoinPool 是其核心实现类。

11. 关键并发类概述

• Thread 类：用于直接创建和控制线程，是并发编程的基础类。
• Runnable 接口：用于定义线程任务的接口，可以与 Thread 结合使用。
• Callable 接口：与 Runnable 类似，但可以返回任务执行的结果并抛出异常。

总结

Java 并发编程涉及到线程、锁、内存模型、线程池等众多概念和工具，Java 的并发包提供了丰富的 API 和类库来帮助开发者应对复杂的多线程问题。理解这些概念对于高效、安全地编写并发程序至关重要。