并发

并发编程知识总结

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悲观锁与乐观锁

• 悲观锁

• 假设最坏情况，每次修改共享资源时都会加锁，阻塞其他线程访问，直到锁被释放。

  • 典型实现：synchronized、ReentrantLock

• 缺点：

• 线程竞争激烈时，频繁的线程唤醒和阻塞会导致 上下文切换开销大。

• 可能引发 死锁。

  • 适用场景：写多、竞争激烈的场景，锁的开销较为固定。

• 乐观锁

• 假设最好的情况，不加锁，仅在提交时检查资源是否被修改。

  • 实现方式：

• 版本号法：数据库表中增加 version 字段，修改前检查 version 是否匹配。

• CAS（比较并交换）：涉及三个操作数 （内存值、预期值、新值），如果 预期值 == 内存值，则修改成功。

• CAS的底层：

• Java层面：Unsafe 类调用本地方法实现。

• 操作系统层面：基于 CPU的原子指令，利用 缓存一致性协议 保证原子操作。

• 缺点：

• 并发修改冲突时，失败重试消耗 CPU 资源大。

  • ABA 问题（变量值回到了原值但实际经历了多次变化）。

• 适用场景：读多写少、竞争较少的情况。

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JMM 内存模型

• JMM（Java Memory Model） 规定了 Java 线程如何与主存和工作内存交互，解决 原子性、可见性、有序性 问题。

• 原子性（Atomicity）

• 保证操作 不可被中断，要么全部执行，要么不执行。

  • 实现方式：

• synchronized、ReentrantLock

• AtomicInteger 等原子类

  • 可见性（Visibility）

• 保证线程对共享变量的修改对其他线程可见。

  • 实现方式：

• volatile

• synchronized

• Lock 的 lock() 和 unlock()

  • 有序性（Orderliness）

• 指令重排可能导致多线程问题。

  • 解决方案：

• volatile

• synchronized

• happens-before 规则（JMM 规定的执行顺序规则）

  • 为什么需要 JMM？

• 解决 CPU 缓存一致性 问题（MESI 协议）。

• 统一跨操作系统的内存访问规则。

  • 屏蔽底层细节，让 Java 程序员方便写并发安全代码。

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线程池

• ThreadPoolExecutor 的 7 个核心参数 | 参数 | 作用 | |---|---| | 核心线程数 | 线程池的基础线程数量 | | 最大线程数 | 任务队列满时能创建的最大线程数 | | 任务队列 | 存储待执行的任务 | | 线程存活时间 | 非核心线程的最大存活时间 | | 时间单位 | 线程存活时间的单位 | | 线程工厂 | 线程创建方式 | | 拒绝策略 | 任务过载时的处理方式 |

• 4 种拒绝策略 | 策略 | 作用 | |---|---| | AbortPolicy | 直接抛异常 | | CallerRunsPolicy | 由调用线程执行任务 | | DiscardPolicy | 直接丢弃任务 | | DiscardOldestPolicy | 丢弃最老的任务 |

• 常见线程池 | 线程池 | 说明 | |---|---| | FixedThreadPool | 线程数固定，任务队列无界，可能导致 OOM | | SingleThreadExecutor | 只有一个线程，类似 FixedThreadPool | | CachedThreadPool | 核心线程数 0，最大 Integer.MAX_VALUE，可能创建过多线程 | | ScheduledThreadPool | 定时任务线程池 |

• 线程池最佳实践

• 使用有界队列 防止 OOM

• 不同业务使用不同线程池 防止资源竞争

• 为线程命名 方便排查问题

• 正确配置线程数量：

• 计算密集型：N + 1（N = CPU 核数）

• I/O 密集型：2N

• 优雅关闭：shutdown()、awaitTermination()

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AQS（抽象队列同步器）

• AQS 的核心思想：

• state 变量（volatile int state）表示锁状态。

• FIFO 队列 存储等待获取锁的线程。

• CAS 机制 保证线程安全。

• 基于 AQS 的组件 | 组件 | 作用 | |---|---| | ReentrantLock | 可重入锁 | | Semaphore | 信号量 | | CountDownLatch | 倒计时器 | | CyclicBarrier | 循环屏障 |

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ThreadLocal

• 作用：为每个线程提供独立变量副本，避免多线程共享变量带来的并发问题。

• 原理：

• Thread 类中有 ThreadLocalMap 变量，存储 ThreadLocal 实例及其值。

  • 防止内存泄漏：调用 remove() 方法释放 ThreadLocal 对象。

• InheritableThreadLocal

• 子线程会继承父线程 ThreadLocal 的值。

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CompletableFuture（异步编程）

• 核心方法 | 方法 | 作用 | |---|---| | supplyAsync() | 执行异步任务（有返回值） | | runAsync() | 执行异步任务（无返回值） | | thenApply() | 处理计算结果并返回新值 | | thenCombine() | 合并两个任务结果 | | allOf() | 等所有任务完成 | | anyOf() | 任意任务完成就返回 |

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死锁

• 死锁的 4 个必要条件

1. 互斥：资源不可共享
2. 占有并等待：占有资源且等待额外资源
3. 不可抢占：资源不可强制释放
4. 循环等待：多个线程形成循环等待链

• 避免死锁
• 破坏循环等待：按顺序获取资源
• 银行家算法 进行资源预分配
• 死锁检测工具（如 Arthas）

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synchronized vs ReentrantLock

| 特性 | synchronized | ReentrantLock | |---|---| | 底层实现 | JVM monitorenter/monitorexit | AQS | | 锁类型 | 非公平锁 | 可选公平锁 | | 可中断 | | | | 超时获取锁 | | | | 手动释放 | | （必须 unlock()） |

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线程安全方案

方案	方式
悲观锁	synchronized、ReentrantLock
乐观锁	AtomicInteger、CAS
并发容器	ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList
线程同步工具	Semaphore、CountDownLatch

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面试必考：三个线程顺序打印 0-100

• 基于 synchronized + wait/notify：

while (COUNT.get() % 3 != index) { LOCK.wait(); }
System.out.println("thread-" + index + ":" + COUNT.get());
COUNT.getAndIncrement();
LOCK.notifyAll();

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• 总结：多线程编程提升 CPU 利用率，但要权衡 安全性与性能，合理选择 锁、线程池、AQS、CAS 等工具！