Java言語による並行プログラミング技術の紹介

Java は、さまざまなプログラムの開発に広く使用されているプログラミング言語であり、その並行プログラミング技術が広く注目されています。マルチコア プロセッサの普及と Web アプリケーションの開発により、Java 言語での同時プログラミングの重要性がますます高まっています。この記事は、Java 言語の同時プログラミング技術を紹介することを目的としています。

1. 並行プログラミングとは

コンピュータ サイエンスにおいて、並行性とは、コンピュータ システム内に 2 つ以上の独立したコンピューティング プロセスが同時に存在する現象を指します。コンカレントプログラミングとは、並行システムを設計および実装するためのプログラミング技術を指し、その目的は、同じ時間内に複数のタスクが実行される問題を解決し、システムの並行性と効率を向上させることです。

2. Java のスレッド

Java 言語では、スレッドは同時アプリケーションを管理するための基本コンポーネントです。 Java はマルチスレッド プログラミングをサポートしています。つまり、1 つのプロセスで複数のスレッドを同時に実行できます。

スレッドのライフサイクルには、新規作成、準備完了、実行、ブロック、終了の各段階が含まれます。 Java 言語では、スレッドは Thread クラスと Runnable インターフェイスを通じて作成および管理されます。 Thread クラスはスレッド オブジェクトを表し、Runnable インターフェイスはスレッド オブジェクトによって実行されるタスクを表します。

たとえば、Java で単純なスレッドを作成するには、次のコードを使用できます。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 线程要执行的代码
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        MyThread thread = new MyThread();

        // 启动线程
        thread.start();
    }
}

上記のコードでは、MyThread クラスが Thread クラスから継承し、run メソッドをオーバーライドします。このメソッドでは、スレッドによって実行されるコードを指定します。 Main クラスでは、MyThread オブジェクトが作成され、start メソッドを通じてスレッドが開始されます。

3. Java の同期メカニズム

マルチスレッド プログラミングでは、共有リソースの問題がよくあります。複数のスレッドが同じ共有リソースに同時にアクセスすると、データの不整合やセキュリティの問題が発生する可能性があります。現時点では、これらの問題を解決するには同期メカニズムを使用する必要があります。

Java はさまざまな同期メカニズムを提供しますが、その中で最も一般的に使用されるのは synchronized キーワードです。 synchronized キーワードを使用すると、複数のスレッドが共有リソースにアクセスするときに相互排他性を確保できます。

たとえば、Java でデータ セキュリティを確保するために synchronized キーワードを使用するサンプル コードは次のとおりです。

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        // 线程安全的加1操作
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        // 创建10个线程，每个线程对计数器执行100次加1操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    counter.increment();
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        Thread.sleep(1000);

        // 输出计数器的值
        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

上記のコードでは、Counter クラスはカウンター オブジェクトを表し、増分は同期キーを使用するメソッド このメソッドは相互に排他的であることが保証されており、複数のスレッドが同時にインクリメントメソッドにアクセスした場合、1 つのスレッドのみがメソッドを実行できます。 Main クラスには 10 個のスレッドが作成され、各スレッドはカウンターに対して 100 回のインクリメント操作を実行します。最後に、カウンターの値を出力します。これは 1000 である必要があります。

4. Java のロック メカニズム

ロックは、共有リソースへのマルチスレッド アクセスを制御するメカニズムです。 Java はさまざまなロック メカニズムを提供しますが、その中で最も一般的に使用されるのは ReentrantLock クラスです。

ReentrantLock クラスは、公平性、再入可能性、中断可能性などの問題を解決できる再入可能なロックです。 ReentrantLock クラスを使用すると、複数のスレッドがコードを実行するときに、相互排除と操作の原子性を確保できます。

たとえば、Java でデータ セキュリティを確保するために ReentrantLock クラスを使用するサンプル コードは次のとおりです。

public class Counter {
    private int count = 0;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            // 线程安全的加1操作
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        // 创建10个线程，每个线程对计数器执行100次加1操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    counter.increment();
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        Thread.sleep(1000);

        // 输出计数器的值
        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

上記のコードでは、Counter クラスはカウンター オブジェクトを表し、増分はメソッドは ReentrantLock クラスを使用してメソッドが相互に排他的であることを保証します。複数のスレッドが同時に increment メソッドにアクセスする場合、1 つのスレッドだけがロックを取得してメソッドを実行できます。 Main クラスには 10 個のスレッドが作成され、各スレッドはカウンターに対して 100 回のインクリメント操作を実行します。最後に、カウンターの値を出力します。これは 1000 である必要があります。

5. 概要

Java は、さまざまなプログラムの開発に広く使用されているプログラミング言語です。マルチコア プロセッサの普及と Web アプリケーションの開発により、Java 言語は同時プログラミングの重要性がますます顕著になっています。この記事では、スレッド、同期メカニズム、ロック メカニズムなど、Java 言語の同時プログラミング テクノロジを紹介します。これらのテクノロジは、開発者がマルチスレッド プログラミング プロセスで共有リソースをより適切に管理および制御し、プログラムの正確性とパフォーマンスを保証するのに役立ちます。

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