Java并发编程实战笔记：第一章并发基础解析
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/bo/booknotes 引言：为什么并发编程如此重要？
在现代软件开发中，并发编程（Concurrency）已成为不可或缺的核心技能。随着多核处理器的普及和云原生架构的兴起，掌握并发编程不仅是为了提升性能，更是为了构建健壮、可扩展的应用程序。
读完本文，你将掌握：
- 并发编程的历史背景和发展脉络
- 多线程编程的核心优势与价值
- 并发编程中的三大风险类型及应对策略
- 线程安全（Thread Safety）的基本概念
- 实际开发中的并发编程最佳实践
并发编程的历史演进
从单任务到多进程
最初的计算机构建为一次只执行一个程序，这种设计存在明显的局限性：
| 问题类型 | 具体表现 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 资源利用率 | I/O等待时CPU空闲 | 多任务切换 |
| 公平性 | 单用户独占资源 | 时间片轮转 |
| 便利性 | 大程序难以维护 | 任务分解 |
操作系统通过引入多进程机制来解决这些问题，进程间通过以下方式同步：
- Socket（套接字）：网络通信
- 文件句柄：文件系统交互
- 共享内存：高效数据交换
- 信号：进程间通知
线程的诞生
线程（Thread）是进程内的独立执行流，具有自己的栈空间，但共享堆内存。这种设计使得线程成为更轻量级的并发单元。
// 线程的基本概念示例
public class BasicThreadExample {
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(() -> {
System.out.println("线程执行中: " + Thread.currentThread().getName());
});
thread.start();
}
}
多线程的核心优势
1. 资源利用最大化
在多处理器系统中，单线程程序只能利用1/N的CPU资源（N为CPU核心数）。通过多线程，我们可以充分利用所有计算资源。
2. 响应性提升
图形用户界面（GUI）应用是线程优势的典型体现。通过将耗时操作放在后台线程，主线程保持响应，避免界面冻结。
3. 异步任务建模
对于天然异步的任务（如网络请求、文件I/O），线程提供了更直观的编程模型。
生活比喻：就像在等待水烧开的同时阅读报纸，而不是先等待水开再读报。
并发编程的三大风险
1. 安全性风险（Safety Hazards）
安全性问题指程序的正确性被破坏。最常见的例子是竞态条件（Race Condition）。
不安全的序列生成器
public class UnsafeSequence {
private int value;
// 存在竞态条件的方法
public int getNext() {
return value++;
}
}
这个简单的value++操作实际上包含三个步骤：
- 读取value的当前值
- 将值加1
- 将新值写回value
在多线程环境下，两个线程可能同时读取相同的值，导致返回重复的序列号。
解决方案：同步访问
public class SafeSequence {
private int value;
// 使用synchronized确保线程安全
public synchronized int getNext() {
return value++;
}
}
2. 活跃性风险（Liveness Hazards）
活跃性指"好的事情最终会发生"。活跃性问题使程序无法继续执行。
| 风险类型 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
| 死锁 | 线程相互等待资源 | A等B，B等A |
| 活锁 | 线程不断重试但无法进展 | 礼貌的让路 |
| 饥饿 | 线程永远得不到资源 | 低优先级线程 |
3. 性能风险（Performance Hazards）
多线程程序继承了单线程程序的所有性能问题，并引入了新的开销：
- 上下文切换成本：线程切换需要保存和恢复状态
- 同步开销：锁机制阻止编译器优化
- 内存一致性：缓存同步开销
线程无处不在的现实
即使你从未显式创建线程，现代Java框架已经让你身处并发环境：
Spring框架中的并发
@RestController
public class UserController {
@GetMapping("/users/{id}")
public User getUser(@PathVariable Long id) {
// 每个HTTP请求都在独立线程中执行
return userService.findById(id);
}
}
在Spring应用中，每个HTTP请求都在独立的线程中处理，这意味着：
- 控制器方法必须是线程安全的
- 服务层需要处理并发访问
- 数据访问层要考虑连接池和事务
其他并发场景
| 框架/工具 | 并发特性 | 线程安全要求 |
|---|---|---|
| Timer | 定时任务调度 | 任务代码线程安全 |
| Swing | 事件分发线程 | UI更新线程安全 |
| JSP/Servlets | 请求多线程处理 | Servlet无状态设计 |
| RMI | 远程方法调用 | 远程对象线程安全 |
并发编程最佳实践入门
1. 识别共享状态
任何被多个线程访问的可变状态都需要保护：
public class Counter {
// 共享状态：需要保护
private int count;
// 线程安全的方法
public synchronized void increment() {
count++;
}
public synchronized int getCount() {
return count;
}
}
2. 使用现有的线程安全类
Java并发包提供了许多线程安全的工具类：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicCounter {
// 使用原子类避免显式同步
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
count.incrementAndGet();
}
public int getCount() {
return count.get();
}
}
3. 避免过度同步
同步虽然安全，但会影响性能。只在必要时使用：
public class OptimizedCounter {
private volatile int count = 0;
// 使用更细粒度的锁
private final Object lock = new Object();
public void increment() {
synchronized(lock) {
count++;
}
}
}
总结与展望
并发编程是现代Java开发者的必备技能。通过本章的学习，我们了解了：
- 并发历史：从单任务到多线程的演进历程
- 核心优势：资源利用、响应性、异步建模
- 三大风险：安全性、活跃性、性能风险及应对策略
- 现实应用：现代框架中无处不在的并发需求
在后续章节中，我们将深入探讨：
- 线程安全的实现机制
- 对象共享的最佳实践
- 并发组件的构建和使用
- 高级并发模式和技巧
行动建议：从现在开始，在编写任何Java代码时都思考其线程安全性，这是成为高级Java开发者的关键一步。
记住：并发编程不是可选的高级主题，而是现代软件开发的基本要求。掌握它，你将能够构建更高效、更健壮、更具扩展性的应用程序。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
