《并發(fā)編程與異常管理》課件

并發(fā)編程與異常管理本課程將深入探討并發(fā)編程和異常管理，以及它們在現(xiàn)代軟件開發(fā)中的重要性。我們將學(xué)習(xí)如何利用多線程和并發(fā)機(jī)制來提高應(yīng)用程序的效率和性能，并探討如何有效地處理異常情況，以確保程序的穩(wěn)定性和健壯性。課程導(dǎo)言11.課程概述本課程將深入探討并發(fā)編程與異常管理的原理和實(shí)踐，為學(xué)員提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。22.課程目標(biāo)旨在幫助學(xué)員掌握并發(fā)編程的核心概念，熟練運(yùn)用線程同步、異步編程等技術(shù)，并有效處理程序中的異常情況，提升代碼的健壯性和可維護(hù)性。33.課程內(nèi)容包括并發(fā)編程基礎(chǔ)、線程管理、同步機(jī)制、異步編程、異常處理、日志系統(tǒng)等模塊，涵蓋理論講解、代碼示例、實(shí)踐案例等多種形式。44.學(xué)習(xí)方法鼓勵(lì)學(xué)員積極參與課堂互動(dòng)，并結(jié)合課后練習(xí)和項(xiàng)目實(shí)踐，將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，以達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。并發(fā)編程概述并發(fā)編程是指在一個(gè)程序中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，以提高程序效率和響應(yīng)速度。通過創(chuàng)建和管理多個(gè)線程，程序可以同時(shí)處理多個(gè)請求，提高系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)能力。在并發(fā)編程中，線程之間需要進(jìn)行同步，以保證數(shù)據(jù)一致性和程序的正確性。線程的基本概念定義線程是進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行單元，是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它可以理解為一條執(zhí)行路徑，負(fù)責(zé)執(zhí)行進(jìn)程中的特定任務(wù)。特點(diǎn)輕量級：線程比進(jìn)程更輕量級，創(chuàng)建和銷毀的開銷更小。共享資源：同一個(gè)進(jìn)程中的所有線程共享進(jìn)程的資源，包括內(nèi)存空間、文件等。并發(fā)執(zhí)行：多個(gè)線程可以在同一個(gè)進(jìn)程中并發(fā)執(zhí)行，提高程序的效率。線程的創(chuàng)建和啟動(dòng)1創(chuàng)建線程使用Thread類或Runnable接口創(chuàng)建線程對象。Thread類是Java中線程的表示，而Runnable接口定義了線程執(zhí)行的任務(wù)。通過實(shí)現(xiàn)Runnable接口，可以更靈活地創(chuàng)建和管理線程。2啟動(dòng)線程調(diào)用線程對象的start()方法來啟動(dòng)線程。這個(gè)方法會(huì)將線程放入線程池中等待調(diào)度執(zhí)行。當(dāng)線程被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，線程會(huì)調(diào)用run()方法，執(zhí)行線程的任務(wù)代碼。3線程運(yùn)行線程運(yùn)行在獨(dú)立的線程棧中，執(zhí)行run()方法中的代碼。線程的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)不斷改變，從創(chuàng)建狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)，最終進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)。線程的生命周期1終止線程執(zhí)行完畢或遇到異常2運(yùn)行線程正在執(zhí)行任務(wù)3就緒線程準(zhǔn)備就緒，等待CPU分配時(shí)間片4新建線程被創(chuàng)建但未啟動(dòng)5阻塞線程等待某個(gè)事件發(fā)生，例如IO操作完成線程的生命周期可以概括為五個(gè)階段：新建、就緒、運(yùn)行、阻塞和終止。當(dāng)線程被創(chuàng)建后，它處于新建狀態(tài)。通過調(diào)用start()方法，線程進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待操作系統(tǒng)調(diào)度。一旦線程獲得CPU資源，它將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)線程遇到阻塞情況，例如等待IO操作完成或等待鎖，它將進(jìn)入阻塞狀態(tài)。最后，線程執(zhí)行完畢或遇到異常，它將進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)，不再可執(zhí)行。線程的中斷中斷機(jī)制線程中斷是通過設(shè)置中斷標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個(gè)線程被中斷時(shí)，它的中斷標(biāo)志會(huì)被設(shè)置為true，但不會(huì)直接停止線程的執(zhí)行。線程需要主動(dòng)檢查中斷標(biāo)志，并根據(jù)中斷標(biāo)志的值決定是否停止執(zhí)行。中斷方法使用`Terrupt()`方法可以中斷一個(gè)線程。這個(gè)方法會(huì)設(shè)置線程的中斷標(biāo)志，但不會(huì)直接停止線程的執(zhí)行。中斷處理線程可以通過`Terrupted()`方法檢查自己的中斷標(biāo)志。如果中斷標(biāo)志為true，則說明線程已經(jīng)被中斷。中斷異常當(dāng)線程被中斷時(shí)，如果它正在阻塞等待一個(gè)資源，則會(huì)拋出`InterruptedException`。這個(gè)異?？梢员徊东@，以便進(jìn)行相應(yīng)的處理。線程的同步競爭條件在多線程環(huán)境中，多個(gè)線程可能同時(shí)訪問共享資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性。例如，多個(gè)線程同時(shí)寫入同一個(gè)文件，可能會(huì)導(dǎo)致文件內(nèi)容混亂。同步機(jī)制同步機(jī)制用于協(xié)調(diào)多個(gè)線程對共享資源的訪問，確保數(shù)據(jù)的一致性。常見的同步機(jī)制包括：互斥鎖信號量條件變量synchronized關(guān)鍵字作用synchronized關(guān)鍵字是Java中用于實(shí)現(xiàn)線程同步的一種機(jī)制。它可以保證在同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問被synchronized修飾的代碼塊或方法。這對于保護(hù)共享資源，防止數(shù)據(jù)競爭和線程安全問題至關(guān)重要。語法synchronized關(guān)鍵字可以用于修飾方法或代碼塊。當(dāng)修飾方法時(shí)，整個(gè)方法都將被同步；當(dāng)修飾代碼塊時(shí)，只有代碼塊內(nèi)部的代碼將被同步。例如：publicsynchronizedvoidsynchronizedMethod(){//同步代碼塊}publicvoidotherMethod(){synchronized(this){//同步代碼塊}}wait()和notify()方法wait()方法wait()方法用于使當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，并釋放鎖。調(diào)用該方法的線程必須持有對象的鎖。當(dāng)其他線程調(diào)用同一個(gè)對象的notify()或notifyAll()方法時(shí)，該線程才會(huì)從等待狀態(tài)中被喚醒。需要注意的是，調(diào)用wait()方法后，線程會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，但不會(huì)釋放鎖，直到調(diào)用notify()或notifyAll()方法才會(huì)釋放鎖。notify()方法notify()方法用于喚醒一個(gè)正在等待同一個(gè)對象的鎖的線程。如果有多個(gè)線程在等待，則只喚醒其中一個(gè)。調(diào)用該方法的線程必須持有對象的鎖。如果當(dāng)前沒有線程在等待，則該方法將無任何效果。notifyAll()方法notifyAll()方法用于喚醒所有正在等待同一個(gè)對象的鎖的線程。調(diào)用該方法的線程必須持有對象的鎖。如果當(dāng)前沒有線程在等待，則該方法將無任何效果。鎖對象內(nèi)置鎖每個(gè)Java對象都與一個(gè)內(nèi)置鎖相關(guān)聯(lián)，也稱為監(jiān)視器鎖，由`synchronized`關(guān)鍵字管理。顯式鎖通過`ReentrantLock`類實(shí)現(xiàn)，提供更細(xì)粒度的控制，例如：嘗試獲取鎖判斷是否持有鎖設(shè)置超時(shí)時(shí)間中斷等待鎖死鎖及其避免死鎖發(fā)生在多個(gè)線程相互等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有線程都無法繼續(xù)執(zhí)行的情況。死鎖會(huì)造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。避免死鎖的方法包括：避免資源請求的循環(huán)依賴使用資源加鎖的順序設(shè)置資源請求的超時(shí)時(shí)間生產(chǎn)者消費(fèi)者模型生產(chǎn)者生產(chǎn)者負(fù)責(zé)生產(chǎn)產(chǎn)品，并將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)已滿時(shí)，生產(chǎn)者將阻塞，等待消費(fèi)者消費(fèi)產(chǎn)品。緩沖區(qū)緩沖區(qū)用于存儲生產(chǎn)者生產(chǎn)的產(chǎn)品，并供消費(fèi)者消費(fèi)。緩沖區(qū)的大小有限，當(dāng)緩沖區(qū)已滿時(shí)，生產(chǎn)者將阻塞，當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，消費(fèi)者將阻塞。消費(fèi)者消費(fèi)者負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)消費(fèi)產(chǎn)品。當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，消費(fèi)者將阻塞，等待生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品。Callable和Future接口1Callable接口Callable接口是Java中用來表示異步任務(wù)的接口。它定義了一個(gè)call()方法，該方法返回一個(gè)結(jié)果。Callable接口可以用來創(chuàng)建線程，并通過Future接口來獲取線程執(zhí)行的結(jié)果。2Future接口Future接口表示異步計(jì)算的結(jié)果。它定義了幾個(gè)方法，用來獲取計(jì)算結(jié)果、判斷計(jì)算是否完成以及取消計(jì)算等。Future接口可以用來接收Callable接口的任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。3使用Callable和Future可以使用Callable接口來創(chuàng)建線程，并通過Future接口來獲取線程執(zhí)行的結(jié)果。這種方式可以實(shí)現(xiàn)異步編程，提高程序的效率。Executor框架線程池Executor框架的核心是線程池。它提供了一種管理線程生命周期的機(jī)制，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程帶來的性能開銷。線程池允許重復(fù)使用線程，提高了程序效率。ExecutorService接口ExecutorService接口定義了執(zhí)行任務(wù)的方法，例如submit()和execute()。它簡化了異步任務(wù)的執(zhí)行，并提供了控制線程池的工具，例如shutdown()和shutdownNow()。Future接口Future接口表示異步任務(wù)的結(jié)果。通過Future接口，可以獲取異步任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，例如isDone()和isCancelled()，并獲取異步任務(wù)的結(jié)果，例如get()。CompletableFuture異步編程非阻塞式編程CompletableFuture允許您編寫非阻塞式代碼，這可以提高應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)能力。通過使用CompletableFuture，您可以將耗時(shí)的任務(wù)委托給其他線程，并在任務(wù)完成后接收通知，而不會(huì)阻塞主線程。鏈?zhǔn)秸{(diào)用CompletableFuture支持鏈?zhǔn)秸{(diào)用，使您可以將多個(gè)異步操作鏈接在一起。這簡化了異步操作的管理，并使代碼更易于閱讀和維護(hù)。異常處理CompletableFuture提供了方便的方法來處理異步操作中的異常。您可以使用exceptionally()方法捕獲異常，并使用handle()方法處理異常并返回一個(gè)新的結(jié)果。組合操作CompletableFuture支持各種組合操作，例如thenApply()、thenCompose()、thenAccept()等。這些操作允許您組合多個(gè)異步操作，并根據(jù)結(jié)果執(zhí)行不同的操作。異常處理概述異常是程序運(yùn)行時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤事件，會(huì)導(dǎo)致程序非正常終止。異常處理機(jī)制可以捕獲并處理異常，避免程序崩潰，提高程序的健壯性。通過合理的異常處理，可以使程序更加可靠，并提供更好的用戶體驗(yàn)。受檢異常和非受檢異常1受檢異常編譯器要求必須處理的異常，例如：IOException、ClassNotFoundException等。在方法聲明中必須使用throws關(guān)鍵字聲明可能會(huì)拋出的受檢異常，或者在方法內(nèi)部使用try-catch塊捕獲并處理這些異常。2非受檢異常編譯器不要求必須處理的異常，例如：NullPointerException、ArithmeticException等。通常由程序員的錯(cuò)誤導(dǎo)致，可以不進(jìn)行處理，但最好還是在程序中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，避免程序出現(xiàn)意外崩潰。異常的捕獲和處理1識別異常當(dāng)代碼運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常，Java虛擬機(jī)會(huì)拋出一個(gè)異常對象，并將其傳遞給調(diào)用者。2捕獲異常使用`try-catch`語句塊捕獲異常對象，并將異常對象傳遞給`catch`塊進(jìn)行處理。3處理異常在`catch`塊中，編寫代碼來處理異常，例如記錄異常信息、執(zhí)行恢復(fù)操作等。異常捕獲和處理是Java程序中至關(guān)重要的部分，它允許我們對程序運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行處理，并確保程序的正常運(yùn)行。try-catch-finally語句1try塊用于包含可能拋出異常的代碼。如果代碼中沒有異常拋出，則程序會(huì)正常執(zhí)行完try塊。2catch塊用于捕獲try塊中拋出的異常。程序會(huì)根據(jù)異常類型，匹配相應(yīng)的catch塊來處理異常。3finally塊無論try塊中是否拋出異常，finally塊中的代碼都會(huì)被執(zhí)行。它通常用于釋放資源，如關(guān)閉文件或數(shù)據(jù)庫連接。多重捕獲與順序多重捕獲在使用try-catch語句時(shí)，可以定義多個(gè)catch塊來處理不同類型的異常。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，程序會(huì)依次檢查每個(gè)catch塊的異常類型，如果匹配，則執(zhí)行該catch塊中的代碼。捕獲順序多個(gè)catch塊的順序非常重要。如果有多個(gè)異常類型可以匹配當(dāng)前異常，程序會(huì)選擇第一個(gè)匹配的catch塊來執(zhí)行。因此，應(yīng)該將更具體的異常類型放在更前面，而更通用的異常類型放在更后面。自定義異常類定義自定義異常類在Java中，可以通過繼承Exception類或其子類來創(chuàng)建自定義異常類。自定義異常類可以封裝特定于應(yīng)用程序的錯(cuò)誤信息，并提供更詳細(xì)的錯(cuò)誤描述。例如，可以定義一個(gè)名為"InvalidInputException"的異常類，用于處理無效用戶輸入的情況。拋出自定義異常在代碼中，可以使用"throw"關(guān)鍵字拋出自定義異常。例如，如果用戶輸入的數(shù)據(jù)無效，可以使用以下代碼拋出"InvalidInputException"異常：if(input.isEmpty()){thrownewInvalidInputException("輸入不能為空");}處理自定義異?？梢允褂?try-catch"塊來捕獲和處理自定義異常。例如，可以使用以下代碼捕獲并處理"InvalidInputException"異常：try{//代碼可能拋出InvalidInputException異常}catch(InvalidInputExceptione){//處理InvalidInputException異常System.out.println("無效輸入："+e.getMessage());}異常鏈與棧跟蹤1異常鏈異常鏈允許將一個(gè)異常與導(dǎo)致它的另一個(gè)異常相關(guān)聯(lián)，從而提供更詳細(xì)的錯(cuò)誤信息。這可以通過在拋出新異常時(shí)將原始異常作為參數(shù)傳遞來實(shí)現(xiàn)，例如：thrownewMyException("自定義錯(cuò)誤信息",originalException);2棧跟蹤棧跟蹤記錄了異常發(fā)生時(shí)的調(diào)用堆棧，顯示了導(dǎo)致異常的代碼執(zhí)行路徑。它提供有關(guān)異常發(fā)生位置和原因的寶貴信息，有助于調(diào)試和分析錯(cuò)誤。3使用場景異常鏈和棧跟蹤在調(diào)試、錯(cuò)誤處理和日志記錄中非常有用，它們可以幫助開發(fā)人員快速定位問題并進(jìn)行有效的錯(cuò)誤修復(fù)。異常拋出與聲明異常拋出使用`throw`關(guān)鍵字拋出異常。這會(huì)將異常傳遞給調(diào)用者，以便他們處理或重新拋出。異常聲明使用`throws`關(guān)鍵字在方法簽名中聲明可能拋出的異常，以便調(diào)用者知道可能發(fā)生的異常并進(jìn)行處理。異常處理最佳實(shí)踐清晰的錯(cuò)誤信息提供有意義的錯(cuò)誤信息，幫助開發(fā)者快速定位問題，例如包含錯(cuò)誤類型、發(fā)生位置、相關(guān)數(shù)據(jù)等。避免過度捕獲只捕獲需要處理的特定異常，避免使用過于寬泛的異常類型，例如避免捕獲所有異常（Exception）或常見的運(yùn)行時(shí)異常（RuntimeException）。使用自定義異常類創(chuàng)建自定義異常類，提供更具體的信息和上下文，以便更好地理解和處理異常。合理地記錄異常在適當(dāng)?shù)牡胤接涗洰惓＃缭趹?yīng)用程序日志中記錄錯(cuò)誤信息，方便日后排查問題。日志系統(tǒng)簡介日志系統(tǒng)用于記錄應(yīng)用程序運(yùn)行過程中的事件和信息，方便開發(fā)者進(jìn)行問題排查和性能分析。日志記錄可以幫助跟蹤應(yīng)用程序的執(zhí)行流程，記錄關(guān)鍵事件的發(fā)生時(shí)間和順序。通過分析日志，開發(fā)者可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤、異常、性能瓶頸等問題，并進(jìn)行診斷和修復(fù)。日志級別與配置日志級別日志級別用于控制哪些日志信息會(huì)被記錄。常見日志級別包括:TRACE:跟蹤級別的日志信息，用于記錄最詳細(xì)的信息，例如方法調(diào)用和參數(shù)。DEBUG:調(diào)試級別的日志信息，用于記錄調(diào)試信息，例如變量的值和程序執(zhí)行流程。INFO:信息級別的日志信息，用于記錄正常運(yùn)行的信息，例如程序啟動(dòng)和結(jié)束。WARN:警告級別的日志信息，用于記錄警告信息，例如資源不足或潛在錯(cuò)誤。ERROR:錯(cuò)誤級別的日志信息，用于記錄錯(cuò)誤信息，例如程序異?；蝈e(cuò)誤。FATAL:致命級別的日志信息，用于記錄致命錯(cuò)誤信息，例如程序崩潰或無法繼續(xù)執(zhí)行。日志配置日志配置用于指定日志的級別、輸出格式、目標(biāo)位置等信息。常見的日志配置方法包括:配置文件:使用配置文件來配置日志信息，例如Log4j2的配置文件.代碼配置:使用代碼來配置日志信息，例如使用Log4j2的API進(jìn)行配置.日志配置可以幫助開發(fā)者控制日志輸出，方便調(diào)試和排查問題.常見日志框架Log4j一個(gè)歷史悠久、功能強(qiáng)大的日志框架，廣泛應(yīng)用于Java應(yīng)用程序。它提供了靈活的配置選項(xiàng)，支持多種輸出方式，并具有良好的性能。LogbackLog4j的繼承者，在性能和功能上都有改進(jìn)，提供了更強(qiáng)大的日志管理功能，例如異步日志記錄和自動(dòng)重試機(jī)制。SLF4J一個(gè)日志門面，允許開發(fā)者在代碼中使用統(tǒng)一的日志API，而無需綁定到具體的日志實(shí)現(xiàn)。JUL(JavaUtilLogging)Java自帶的日志框架，簡單易用，但功能相對有限。Log4j2介紹強(qiáng)大的日志框架Log4j2是一個(gè)流行的Java日志框架，它提供了豐富的功能，例如靈活的配置、多種日志級別、自定義日志格式、異步日志記錄等等。性能卓越與Log4j1.x相比，Log4j2進(jìn)行了顯著的性能改進(jìn)，可以更高效地處理日志記錄，特別是在高并發(fā)場景下。易于使用Log4j2提供了易于理解的配置方式，以及方便的API，可以輕松地將日志記錄集成到應(yīng)用程序中。Log4j2的配置與使用配置方式Log4j2支持多種配置方式，包括XML配置、JSON配置和YAML配置。XML配置是最常用的方式，因?yàn)樗子陂喿x和理解。日志級別Log4j2提供了多個(gè)日志級別，包括TRACE、DEBUG、INFO、WARN、ERROR和FATAL。您可以根據(jù)需要設(shè)置不同的日志級別，以控制日志輸出的詳細(xì)信息。AppenderAppender用于將日志輸出到不同的目標(biāo)，例如控制臺、文件、數(shù)據(jù)庫或遠(yuǎn)程服務(wù)器。Log4j2提供了各種Appender類型，您可以根據(jù)需要選擇合適的Appender。LoggerLogger用于記錄日志信息。您可以通過名稱來引用Logger，并設(shè)置其日志級別和Appender。Log4j2支持層次結(jié)構(gòu)化的Logger，可以方便地管理不同模塊的日志輸出。布局布局用于控制日志信息的格式。Log4j2提供了多種布局類型，您可以根據(jù)需要選擇合適的布局，以輸出符合特定格式的日志信息。異常與日志的結(jié)合異常信息記錄將異常信息記錄到日志中，可以幫助開發(fā)者快速定位和解決問題，是進(jìn)行錯(cuò)誤分析和性能調(diào)優(yōu)的重要依據(jù)。異常堆棧跟蹤通過記錄異常堆棧跟蹤，可以清晰地了解異常發(fā)生的代碼位置和調(diào)用鏈，方便開發(fā)者快速定位問題所在。異常上下文信息除了異常本身的信息，還可以記錄一些與異常相關(guān)的上下文信息，例如時(shí)間戳、線程信息、系統(tǒng)環(huán)境等，以便于更全面的分析問題。監(jiān)控與報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括性能指標(biāo)、資源使用率、錯(cuò)誤日志等。報(bào)警機(jī)制當(dāng)監(jiān)控指標(biāo)超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警通知，及時(shí)提醒開發(fā)人員進(jìn)行處理?？梢暬故緦⒈O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以圖表、儀表盤等形式直觀地展現(xiàn)出來，方便分析問題。應(yīng)用場景分析高并發(fā)系統(tǒng)例如電商網(wǎng)站、游戲服務(wù)器、金融交易系統(tǒng)等，需要處理大量的用戶請求，并發(fā)編程可以提高系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)速度。通過使用線程池、異步處理等技術(shù)，可以有效地利用系統(tǒng)資源，提升性能。多任務(wù)處理例如圖片處理、視頻編碼、數(shù)據(jù)分析等任務(wù)，可以將任務(wù)拆分成多個(gè)子