Debian Java多线程编程详解

Debian Java多线程编程详解

一 环境准备与基础概念

• 在 Debian 上安装 OpenJDK 11（或系统默认 JDK），并验证版本：
  • 安装命令：sudo apt update && sudo apt install openjdk-11-jdk
  • 验证：java -version（应显示类似 openjdk version “11.0.x”）
• 多线程基础要点：
  • 进程是资源分配单位，线程是 CPU 调度单位；同一进程的线程共享堆与方法区，但各自拥有栈和程序计数器。
  • 线程生命周期包含：新建 NEW、可运行 RUNNABLE、阻塞 BLOCKED、等待 WAITING、超时等待 TIMED_WAITING、终止 TERMINATED。
  • 多线程价值：提升吞吐量、增强响应性、更高效地利用多核与 I/O 等待时间。

二 创建线程与线程池

• 两种基础创建方式（示例）：
  • 继承 Thread：
    • class MyThread extends Thread { public void run() { System.out.println("Thread running: " + Thread.currentThread().getName()); } }
    • new MyThread().start();
  • 实现 Runnable（更灵活，推荐）：
    • class MyRunnable implements Runnable { public void run() { … } }
    • new Thread(new MyRunnable()).start();
• 使用线程池管理并发（推荐）：
  • ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
  • for (int i = 0; i < 10; i++) executor.submit(() -> doWork(i));
  • 关闭：executor.shutdown(); executor.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS);
• 常见线程池类型与适用场景：
  • newFixedThreadPool(n)：固定大小，适合CPU 密集型或稳定负载。
  • newCachedThreadPool()：弹性伸缩，适合短任务、突发流量。
  • newSingleThreadExecutor()：单线程顺序执行，适合串行任务。
  • newScheduledThreadPool(n)：定时/周期任务调度。

三 线程安全与同步机制

• 同步基石：
  • synchronized：修饰方法或代码块，保证原子性、可见性、有序性；注意缩小临界区并避免嵌套锁顺序不当。
  • ReentrantLock：提供更灵活的可中断、超时、公平锁等能力；务必在 finally 中 unlock。
  • volatile：保证可见性、禁止指令重排序，不保证复合操作的原子性（如 i++）。
  • 原子类：如 AtomicInteger，无锁实现计数器等简单共享变量的原子更新。
• 线程间协作与通信：
  • 基于监视器的协作：wait/notify/notifyAll 必须在 synchronized 块内使用，用于条件等待与唤醒。
  • 并发工具类：CountDownLatch（一次性门闩）、CyclicBarrier（循环栅栏）、Semaphore（限流）、Exchanger（成对交换）。
• 死锁预防要点：
  • 按一致顺序获取多个锁；使用 tryLock(timeout)；缩小锁粒度；避免持有锁时调用外部不可控代码。

四 有返回值任务与线程间协作实战

• Callable + Future（有返回值/可抛异常）：
  • ExecutorService exec = Executors.newSingleThreadExecutor();
  • Future f = exec.submit(() -> { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); return 42; });
  • System.out.println("Result: " + f.get()); // 阻塞等待
  • exec.shutdown();
• 典型协作模式模板（以 CountDownLatch 为例）：
  • 主线程创建 CountDownLatch(3)；3 个工作线程各自完成任务后调用 countDown()；主线程 await() 等待全部完成后再继续。
• 生产者-消费者（BlockingQueue 示例）：
  • 使用 BlockingQueue 作为安全缓冲区，生产者 put、消费者 take，队列满/空时自动阻塞，避免显式 wait/notify。

五 性能调优与常见问题

• 线程数量与任务类型：
  • CPU 密集型：线程数 ≈ CPU 核心数（或 N+1）；过多线程导致上下文切换开销上升。
  • I/O 密集型：可适当增加线程数以覆盖 I/O 等待时间（结合压测调优）。
• 线程池参数化配置（ThreadPoolExecutor）：
  • 核心参数：corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、workQueue、threadFactory、handler。
  • 队列选择：有界队列（如 ArrayBlockingQueue）可防止资源耗尽；配合合理的拒绝策略（如 CallerRunsPolicy）。
• 可见性与内存模型：
  • 理解 happens-before 规则；必要时使用 volatile 或同步手段建立先行关系，避免读到“过期”数据。
• 监控与排错：
  • 使用 jstack 查看线程栈与死锁；为线程设置有意义的名称；在关键路径添加日志与异常处理（含未捕获异常处理器）。
• 工程化建议：
  • 优先使用 并发容器（如 ConcurrentHashMap、BlockingQueue）与 原子类；避免直接 new Thread；统一通过 ExecutorService 提交任务。