《并发编程与异常管理》课件

并发编程与异常管理本课程将深入探讨并发编程和异常管理，以及它们在现代软件开发中的重要性。我们将学习如何利用多线程和并发机制来提高应用程序的效率和性能，并探讨如何有效地处理异常情况，以确保程序的稳定性和健壮性。课程导言11.课程概述本课程将深入探讨并发编程与异常管理的原理和实践，为学员提供扎实的理论基础和丰富的实战经验。22.课程目标旨在帮助学员掌握并发编程的核心概念，熟练运用线程同步、异步编程等技术，并有效处理程序中的异常情况，提升代码的健壮性和可维护性。33.课程内容包括并发编程基础、线程管理、同步机制、异步编程、异常处理、日志系统等模块，涵盖理论讲解、代码示例、实践案例等多种形式。44.学习方法鼓励学员积极参与课堂互动，并结合课后练习和项目实践，将理论知识与实际应用相结合，以达到最佳的学习效果。并发编程概述并发编程是指在一个程序中同时执行多个任务，以提高程序效率和响应速度。通过创建和管理多个线程，程序可以同时处理多个请求，提高系统吞吐量和响应能力。在并发编程中，线程之间需要进行同步，以保证数据一致性和程序的正确性。线程的基本概念定义线程是进程中的一个执行单元，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它可以理解为一条执行路径，负责执行进程中的特定任务。特点轻量级：线程比进程更轻量级，创建和销毁的开销更小。共享资源：同一个进程中的所有线程共享进程的资源，包括内存空间、文件等。并发执行：多个线程可以在同一个进程中并发执行，提高程序的效率。线程的创建和启动1创建线程使用Thread类或Runnable接口创建线程对象。Thread类是Java中线程的表示，而Runnable接口定义了线程执行的任务。通过实现Runnable接口，可以更灵活地创建和管理线程。2启动线程调用线程对象的start()方法来启动线程。这个方法会将线程放入线程池中等待调度执行。当线程被调度执行时，线程会调用run()方法，执行线程的任务代码。3线程运行线程运行在独立的线程栈中，执行run()方法中的代码。线程的运行状态会不断改变，从创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态，最终进入结束状态。线程的生命周期1终止线程执行完毕或遇到异常2运行线程正在执行任务3就绪线程准备就绪，等待CPU分配时间片4新建线程被创建但未启动5阻塞线程等待某个事件发生，例如IO操作完成线程的生命周期可以概括为五个阶段：新建、就绪、运行、阻塞和终止。当线程被创建后，它处于新建状态。通过调用start()方法，线程进入就绪状态，等待操作系统调度。一旦线程获得CPU资源，它将进入运行状态，执行任务。当线程遇到阻塞情况，例如等待IO操作完成或等待锁，它将进入阻塞状态。最后，线程执行完毕或遇到异常，它将进入终止状态，不再可执行。线程的中断中断机制线程中断是通过设置中断标志来实现的。当一个线程被中断时，它的中断标志会被设置为true，但不会直接停止线程的执行。线程需要主动检查中断标志，并根据中断标志的值决定是否停止执行。中断方法使用`Terrupt()`方法可以中断一个线程。这个方法会设置线程的中断标志，但不会直接停止线程的执行。中断处理线程可以通过`Terrupted()`方法检查自己的中断标志。如果中断标志为true，则说明线程已经被中断。中断异常当线程被中断时，如果它正在阻塞等待一个资源，则会抛出`InterruptedException`。这个异常可以被捕获，以便进行相应的处理。线程的同步竞争条件在多线程环境中，多个线程可能同时访问共享资源，导致数据的不一致性。例如，多个线程同时写入同一个文件，可能会导致文件内容混乱。同步机制同步机制用于协调多个线程对共享资源的访问，确保数据的一致性。常见的同步机制包括：互斥锁信号量条件变量synchronized关键字作用synchronized关键字是Java中用于实现线程同步的一种机制。它可以保证在同一时间只有一个线程可以访问被synchronized修饰的代码块或方法。这对于保护共享资源，防止数据竞争和线程安全问题至关重要。语法synchronized关键字可以用于修饰方法或代码块。当修饰方法时，整个方法都将被同步；当修饰代码块时，只有代码块内部的代码将被同步。例如：publicsynchronizedvoidsynchronizedMethod(){//同步代码块}publicvoidotherMethod(){synchronized(this){//同步代码块}}wait()和notify()方法wait()方法wait()方法用于使当前线程进入等待状态，并释放锁。调用该方法的线程必须持有对象的锁。当其他线程调用同一个对象的notify()或notifyAll()方法时，该线程才会从等待状态中被唤醒。需要注意的是，调用wait()方法后，线程会进入等待状态，但不会释放锁，直到调用notify()或notifyAll()方法才会释放锁。notify()方法notify()方法用于唤醒一个正在等待同一个对象的锁的线程。如果有多个线程在等待，则只唤醒其中一个。调用该方法的线程必须持有对象的锁。如果当前没有线程在等待，则该方法将无任何效果。notifyAll()方法notifyAll()方法用于唤醒所有正在等待同一个对象的锁的线程。调用该方法的线程必须持有对象的锁。如果当前没有线程在等待，则该方法将无任何效果。锁对象内置锁每个Java对象都与一个内置锁相关联，也称为监视器锁，由`synchronized`关键字管理。显式锁通过`ReentrantLock`类实现，提供更细粒度的控制，例如：尝试获取锁判断是否持有锁设置超时时间中断等待锁死锁及其避免死锁发生在多个线程相互等待对方释放资源，导致所有线程都无法继续执行的情况。死锁会造成系统资源浪费，降低系统性能，甚至导致系统崩溃。避免死锁的方法包括：避免资源请求的循环依赖使用资源加锁的顺序设置资源请求的超时时间生产者消费者模型生产者生产者负责生产产品，并将产品放入缓冲区。当缓冲区已满时，生产者将阻塞，等待消费者消费产品。缓冲区缓冲区用于存储生产者生产的产品，并供消费者消费。缓冲区的大小有限，当缓冲区已满时，生产者将阻塞，当缓冲区为空时，消费者将阻塞。消费者消费者负责从缓冲区消费产品。当缓冲区为空时，消费者将阻塞，等待生产者生产产品。Callable和Future接口1Callable接口Callable接口是Java中用来表示异步任务的接口。它定义了一个call()方法，该方法返回一个结果。Callable接口可以用来创建线程，并通过Future接口来获取线程执行的结果。2Future接口Future接口表示异步计算的结果。它定义了几个方法，用来获取计算结果、判断计算是否完成以及取消计算等。Future接口可以用来接收Callable接口的任务执行结果。3使用Callable和Future可以使用Callable接口来创建线程，并通过Future接口来获取线程执行的结果。这种方式可以实现异步编程，提高程序的效率。Executor框架线程池Executor框架的核心是线程池。它提供了一种管理线程生命周期的机制，避免了频繁创建和销毁线程带来的性能开销。线程池允许重复使用线程，提高了程序效率。ExecutorService接口ExecutorService接口定义了执行任务的方法，例如submit()和execute()。它简化了异步任务的执行，并提供了控制线程池的工具，例如shutdown()和shutdownNow()。Future接口Future接口表示异步任务的结果。通过Future接口，可以获取异步任务的执行状态，例如isDone()和isCancelled()，并获取异步任务的结果，例如get()。CompletableFuture异步编程非阻塞式编程CompletableFuture允许您编写非阻塞式代码，这可以提高应用程序的性能和响应能力。通过使用CompletableFuture，您可以将耗时的任务委托给其他线程，并在任务完成后接收通知，而不会阻塞主线程。链式调用CompletableFuture支持链式调用，使您可以将多个异步操作链接在一起。这简化了异步操作的管理，并使代码更易于阅读和维护。异常处理CompletableFuture提供了方便的方法来处理异步操作中的异常。您可以使用exceptionally()方法捕获异常，并使用handle()方法处理异常并返回一个新的结果。组合操作CompletableFuture支持各种组合操作，例如thenApply()、thenCompose()、thenAccept()等。这些操作允许您组合多个异步操作，并根据结果执行不同的操作。异常处理概述异常是程序运行时发生的错误事件，会导致程序非正常终止。异常处理机制可以捕获并处理异常，避免程序崩溃，提高程序的健壮性。通过合理的异常处理，可以使程序更加可靠，并提供更好的用户体验。受检异常和非受检异常1受检异常编译器要求必须处理的异常，例如：IOException、ClassNotFoundException等。在方法声明中必须使用throws关键字声明可能会抛出的受检异常，或者在方法内部使用try-catch块捕获并处理这些异常。2非受检异常编译器不要求必须处理的异常，例如：NullPointerException、ArithmeticException等。通常由程序员的错误导致，可以不进行处理，但最好还是在程序中进行适当的处理，避免程序出现意外崩溃。异常的捕获和处理1识别异常当代码运行时发生异常，Java虚拟机会抛出一个异常对象，并将其传递给调用者。2捕获异常使用`try-catch`语句块捕获异常对象，并将异常对象传递给`catch`块进行处理。3处理异常在`catch`块中，编写代码来处理异常，例如记录异常信息、执行恢复操作等。异常捕获和处理是Java程序中至关重要的部分，它允许我们对程序运行时可能出现的错误进行处理，并确保程序的正常运行。try-catch-finally语句1try块用于包含可能抛出异常的代码。如果代码中没有异常抛出，则程序会正常执行完try块。2catch块用于捕获try块中抛出的异常。程序会根据异常类型，匹配相应的catch块来处理异常。3finally块无论try块中是否抛出异常，finally块中的代码都会被执行。它通常用于释放资源，如关闭文件或数据库连接。多重捕获与顺序多重捕获在使用try-catch语句时，可以定义多个catch块来处理不同类型的异常。当发生异常时，程序会依次检查每个catch块的异常类型，如果匹配，则执行该catch块中的代码。捕获顺序多个catch块的顺序非常重要。如果有多个异常类型可以匹配当前异常，程序会选择第一个匹配的catch块来执行。因此，应该将更具体的异常类型放在更前面，而更通用的异常类型放在更后面。自定义异常类定义自定义异常类在Java中，可以通过继承Exception类或其子类来创建自定义异常类。自定义异常类可以封装特定于应用程序的错误信息，并提供更详细的错误描述。例如，可以定义一个名为"InvalidInputException"的异常类，用于处理无效用户输入的情况。抛出自定义异常在代码中，可以使用"throw"关键字抛出自定义异常。例如，如果用户输入的数据无效，可以使用以下代码抛出"InvalidInputException"异常：if(input.isEmpty()){thrownewInvalidInputException("输入不能为空");}处理自定义异常可以使用"try-catch"块来捕获和处理自定义异常。例如，可以使用以下代码捕获并处理"InvalidInputException"异常：try{//代码可能抛出InvalidInputException异常}catch(InvalidInputExceptione){//处理InvalidInputException异常System.out.println("无效输入："+e.getMessage());}异常链与栈跟踪1异常链异常链允许将一个异常与导致它的另一个异常相关联，从而提供更详细的错误信息。这可以通过在抛出新异常时将原始异常作为参数传递来实现，例如：thrownewMyException("自定义错误信息",originalException);2栈跟踪栈跟踪记录了异常发生时的调用堆栈，显示了导致异常的代码执行路径。它提供有关异常发生位置和原因的宝贵信息，有助于调试和分析错误。3使用场景异常链和栈跟踪在调试、错误处理和日志记录中非常有用，它们可以帮助开发人员快速定位问题并进行有效的错误修复。异常抛出与声明异常抛出使用`throw`关键字抛出异常。这会将异常传递给调用者，以便他们处理或重新抛出。异常声明使用`throws`关键字在方法签名中声明可能抛出的异常，以便调用者知道可能发生的异常并进行处理。异常处理最佳实践清晰的错误信息提供有意义的错误信息，帮助开发者快速定位问题，例如包含错误类型、发生位置、相关数据等。避免过度捕获只捕获需要处理的特定异常，避免使用过于宽泛的异常类型，例如避免捕获所有异常（Exception）或常见的运行时异常（RuntimeException）。使用自定义异常类创建自定义异常类，提供更具体的信息和上下文，以便更好地理解和处理异常。合理地记录异常在适当的地方记录异常，例如在应用程序日志中记录错误信息，方便日后排查问题。日志系统简介日志系统用于记录应用程序运行过程中的事件和信息，方便开发者进行问题排查和性能分析。日志记录可以帮助跟踪应用程序的执行流程，记录关键事件的发生时间和顺序。通过分析日志，开发者可以发现应用程序中的错误、异常、性能瓶颈等问题，并进行诊断和修复。日志级别与配置日志级别日志级别用于控制哪些日志信息会被记录。常见日志级别包括:TRACE:跟踪级别的日志信息，用于记录最详细的信息，例如方法调用和参数。DEBUG:调试级别的日志信息，用于记录调试信息，例如变量的值和程序执行流程。INFO:信息级别的日志信息，用于记录正常运行的信息，例如程序启动和结束。WARN:警告级别的日志信息，用于记录警告信息，例如资源不足或潜在错误。ERROR:错误级别的日志信息，用于记录错误信息，例如程序异常或错误。FATAL:致命级别的日志信息，用于记录致命错误信息，例如程序崩溃或无法继续执行。日志配置日志配置用于指定日志的级别、输出格式、目标位置等信息。常见的日志配置方法包括:配置文件:使用配置文件来配置日志信息，例如Log4j2的配置文件.代码配置:使用代码来配置日志信息，例如使用Log4j2的API进行配置.日志配置可以帮助开发者控制日志输出，方便调试和排查问题.常见日志框架Log4j一个历史悠久、功能强大的日志框架，广泛应用于Java应用程序。它提供了灵活的配置选项，支持多种输出方式，并具有良好的性能。LogbackLog4j的继承者，在性能和功能上都有改进，提供了更强大的日志管理功能，例如异步日志记录和自动重试机制。SLF4J一个日志门面，允许开发者在代码中使用统一的日志API，而无需绑定到具体的日志实现。JUL(JavaUtilLogging)Java自带的日志框架，简单易用，但功能相对有限。Log4j2介绍强大的日志框架Log4j2是一个流行的Java日志框架，它提供了丰富的功能，例如灵活的配置、多种日志级别、自定义日志格式、异步日志记录等等。性能卓越与Log4j1.x相比，Log4j2进行了显著的性能改进，可以更高效地处理日志记录，特别是在高并发场景下。易于使用Log4j2提供了易于理解的配置方式，以及方便的API，可以轻松地将日志记录集成到应用程序中。Log4j2的配置与使用配置方式Log4j2支持多种配置方式，包括XML配置、JSON配置和YAML配置。XML配置是最常用的方式，因为它易于阅读和理解。日志级别Log4j2提供了多个日志级别，包括TRACE、DEBUG、INFO、WARN、ERROR和FATAL。您可以根据需要设置不同的日志级别，以控制日志输出的详细信息。AppenderAppender用于将日志输出到不同的目标，例如控制台、文件、数据库或远程服务器。Log4j2提供了各种Appender类型，您可以根据需要选择合适的Appender。LoggerLogger用于记录日志信息。您可以通过名称来引用Logger，并设置其日志级别和Appender。Log4j2支持层次结构化的Logger，可以方便地管理不同模块的日志输出。布局布局用于控制日志信息的格式。Log4j2提供了多种布局类型，您可以根据需要选择合适的布局，以输出符合特定格式的日志信息。异常与日志的结合异常信息记录将异常信息记录到日志中，可以帮助开发者快速定位和解决问题，是进行错误分析和性能调优的重要依据。异常堆栈跟踪通过记录异常堆栈跟踪，可以清晰地了解异常发生的代码位置和调用链，方便开发者快速定位问题所在。异常上下文信息除了异常本身的信息，还可以记录一些与异常相关的上下文信息，例如时间戳、线程信息、系统环境等，以便于更全面的分析问题。监控与报警实时监控通过监控系统实时收集系统运行状态数据，包括性能指标、资源使用率、错误日志等。报警机制当监控指标超过预设阈值时，触发报警通知，及时提醒开发人员进行处理。可视化展示将监控数据以图表、仪表盘等形式直观地展现出来，方便分析问题。应用场景分析高并发系统例如电商网站、游戏服务器、金融交易系统等，需要处理大量的用户请求，并发编程可以提高系统吞吐量和响应速度。通过使用线程池、异步处理等技术，可以有效地利用系统资源，提升性能。多任务处理例如图片处理、视频编码、数据分析等任务，可以将任务拆分成多个子