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【多线程】进阶

news 来源：原创 2025/6/24 6:35:46

一、CAS

什么是 CAS

CAS 伪代码

CAS 有哪些应用

实现原子类

CAS 是怎么实现的

如何通过 CAS 实现的原子类

CAS 的 ABA 问题

什么是 ABA 问题

ABA 问题引来的 BUG

正常的过程

异常的过程

解决方案

📝相关面试题

二、JUC(java.util.concurrent)的常见类

Callable 接口

理解 Callable

理解 FutureTask

ReentrantLock

ReentrantLock 和 synchronized 的区别:

原子类

线程池

信号量 Semaphore

理解信号量

CountDownLatch

📝相关面试题

三、线程安全的集合类

多线程环境使用 ArrayList

多线程环境使用队列

多线程环境使用哈希表

📝相关面试题

一、CAS

什么是 CAS

全称 Compare and swap ，字面意思就是 “比较并交换”，一个 CAS 涉及到以下操作：

我们假设内存中的原数据 V，旧的预期值 A，需要修改的新值 B

1️⃣比较 A 与 V 是否相等。（比较）

2️⃣如果比较相等，将 B 写入 V。(交换)

3️⃣返回操作是否成功。

〰️比较内存和 CPU 寄存器中的内容，如果发现相同，就进行交换（交换的是内存和另一个寄存器的内容）。一个内存的数据和两个寄存器中的数据进行操作（寄存器 1 和寄存器 2），比较内存和寄存器 1 中的值是否相等，如果不相等，就无事发生，如果相等，就交换内存和寄存器 2 的值（此处一般只是关心，内存交换后的内容，不关心寄存器 2 交换后的内容），虽然叫做 "交换" 实际上，希望达成的效果是 “赋值”。

CAS 伪代码

下面写的代码不是原子的，真实的 CAS 是⼀个原子的硬件指令完成的。这个伪代码只是辅助理解 CAS 的工作流程，且下面的伪代码其实是有一条 CPU 指令完成的。

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {

if (&address == expectedValue) {

&address = swapValue;

return true;

} return false;

}

CAS 的关键不在于这个逻辑是干啥，而是在于，通过 "一个CPU指令"（原子的）完成了上述一系列的操作，因此 CAS 就能给编写多线程代码，带来新的思路〰️“无锁化编程”

CAS 有哪些应用

实现原子类

int/long 在进行➕➕、➖➖的时候（会经历 load、add、save 三步）都不是原子的，然而基于 CAS 实现的原子类，对 int/Iong 等这些类型进行了封装，从而可以原子的完成 ➕➕、➖➖ 等操作。

原子类，在Java标准库中，也有现成的实现。标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的类都是基于这种方式来实现的。典型的就是 Atomiclnteger 类，其中的 getAndIncrement 相当i➕➕ 操作。

👁‍🗨➕➕操作的线程不安全代码

public class Demo36 {
    private static int count = 0;
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
 
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

👁‍🗨使用 Atomiclnteger 类实现线程安全并且不用加锁的代码

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
public class Demo36 {
    // private static int count = 0;
 
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count.getAndIncrement();   // count++;
//                count.incrementAndGet();   //++count;
//                count.getAndIncrement();   //count--;
//                count.decrementAndGet();   //--count;
//                count.getAndAdd(10); //count+= 10;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                // count++;
                count.getAndIncrement();   // count++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
 
        //通过 count.get() 拿到原子类内部持有的真实数据
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

其它类在 Java 文档中都有，附下图

CAS 是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：
🔹java 的 CAS 利用的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
🔹unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg;
🔹Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。

简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到

如何通过 CAS 实现的原子类

分析给出的伪代码

📷图解

假设两个线程同时调用 getAndIncrement

1️⃣两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中.(oldValue 是一个局部变量，在栈上.每个线程有自己的栈)

2️⃣线程 2 先执行 CAS 操作.由于 oldValue 和 value 的值相同，直接进行对 value 赋值
注意：
CAS 是直接读写内存的，而不是操作寄存器.
CAS 的读内存，比较，写内存操作是一条硬件指令，是原子的.

3️⃣线程 1 再执行 CAS 操作，第一次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等，不能进行赋值.因此需要进入循环.
在循环里重新读取 value 的值赋给 oldValue

4️⃣线程 1 接下来第二次执行 CAS，此时 oldValue 和 value 相同，于是进行赋值操作.

5️⃣线程 1 和线程 2 返回各自的 oldValue 的值即可.

通过形如上述代码就可以实现一个原子类.不需要使用重量级锁，就可以高效的完成多线程的自增操作.
本来 check and set 这样的操作在代码角度不是原子的.但是在硬件层面上可以让一条指令完成这个
操作，也就变成原子的了.

上面的这个过程，类似于，网购一个东西，确认收货的过程。比如买一个笔记本电脑/手机，有的人，直接就拆了开始使用了（有可能买到了二手机/翻新机），也有的人，会先做详细的检查，检查商品的序列号，去官网上对比。如果发现机器没有问题，才真正进行后续的使用（没有识别到别人使用的痕迹），如果发现机器有问题，有别人使用的痕迹，就得及时进行售后。

CAS 的 ABA 问题

什么是 ABA 问题

假设存在两个线程 t1 和 t2.有一个共享变量 num，初始值为 A.
接下来，线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z，那么就需要
🔹先读取 num 的值，记录到 oldNum 变量中.
🔹使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A，如果为 A，就修改成 Z.
但是，在 t1 执行这两个操作之间，t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B，又从 B 改成了 A

线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改.但是 num 的值已经被 t2 给改了.只不过又改成 A了.这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢？

到这一步，t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A，还是经历了一个变化过程.

这就好比，我们买一个手机，无法判定这个手机是刚出厂的新手机，还是别人用引旧了，又翻新过的手机

ABA 问题引来的 BUG

大部分的情况下，t2 线程这样的一个反复横跳改动，对于 t1 是否修改 num 是没有影响的.但是不排除一些特殊情况.

假设滑稽老哥有 1000 存款.滑稽想从 ATM 取 500 块钱.取款机创建了两个线程，并发的来执行 -500 操作.
我们期望一个线程执行 -500 成功，另一个线程 -500 失败.
如果使用 CAS 的方式来完成这个扣款过程就可能出现问题.

正常的过程

存款 1000.线程 1 获取到当前存款值为 1000，期望更新为 500；线程 2 获取到当前存款值为1000，期望更新为 500.
线程 1 执行扣款成功，存款被改成 500.线程 2 阻塞等待中
轮到线程 2 执行了，发现当前存款为 500，和之前读到的 1000 不相同，执行失败.

异常的过程

存款 1000.线程 1 获取到当前存款值为 1000，期望更新为 500；线程 2 获取到当前存款值为 1000，期望更新为 500.
线程 1 执行扣款成功，存款被改成 500.线程 2 阻塞等待中，
在线程 2 执行之前，滑稽的朋友正好给滑稽转账 500，账户余额变成 1000！！
轮到线程 2 执行了，发现当前存款为 1000，和之前读到的 1000 相同，再次执行扣款操作
这个时候，扣款操作被执行了两次！！！都是 ABA 问题搞的鬼！！

解决方案

给要修改的值，引入版本号.在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版本号是否符合预期.

●CAS 操作在读取旧值的同时，也要读取版本号.
●真正修改的时候，
。如果当前版本号和读到的版本号相同，则修改数据，并把版本号 +1.
。如果当前版本号高于读到的版本号.就操作失败（认为数据已经被修改过了）.

这就好比，判定这个手机是否是翻新机，那么就需要收集每个手机的数据，第一次挂在电商网站上的手机记为版本 1，以后每次这个手机出现在电商网站上，就把版本号进行递增.这样如果买家不在意这是翻新机，就买.如果买家在意，就可以直接略过.

⬆️对比理解上面的转账例子

假设滑稽老哥有 1000 存款.滑稽想从 ATM 取 500 块钱.取款机创建了两个线程，并发的来执行 -500 操作.
我们期望一个线程执行 -500 成功，另一个线程 -500失败.
为了解决 ABA 问题，给余额搭配一个版本号，初始设为 1.

存款 1000.线程 1 获取到存款值为 1000，版本号为 1，期望更新为 500；线程 2 获取到存款值为1000，版本号为 1，期望更新为500.
线程 1 执行扣款成功，存款被改成 500，版本号改为 2.线程 2 阻塞等待中.
在线程 2 执行之前，滑稽的朋友正好给滑稽转账 500，账户余额变成1000，版本号变成 3.
轮到线程 2 执行了，发现当前存款为 1000，和之前读到的 1000 相同，但是当前版本号为 3，之前读到的版本号为 1，版本小于当前版本，认为操作失败.

实际开发中，一般很少直接使用 CAS，都是大佬封装好了，直接进行使用现成的操作，因为 CAS本身使用起来有点复杂的.

在 Java 标准库中提供了 AtomicStampedReference<E> 类.这个类可以对某个类进行包装，在内
部就提供了上面描述的版本管理功能

关于 AtomicStampedReference<E> 的具体用法此处不再展开，有需要的同学自行查找文档了解使用方法即可.

📝相关面试题

1️⃣讲解下你自己理解的 CAS 机制

全称Compare and swap，即 "比较并交换" 相当于通过一个原子的操作，同时完成 "读取内存，比较是否相等，修改内存" 这三个步骤.本质上需要 CPU 指令的支撑.

2️⃣ABA 问题怎么解决

给要修改的数据引入版本号.在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版本号是否符合预期.如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致，就真正执行修改操作，并让版本号自增；如果发现当前版本号比之前读到的版本号大，就认为操作失败.

二、JUC(java.util.concurrent)的常见类

Callable 接口

Callable 是一个 interface.相当于把线程封装了一个 "返回值".方便程序猿借助多线程的方式计算结
果.

👁‍🗨创建线程计算1+2+3++1000，不使用 Callable 版本

class Demo37 {
    private static int result;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                sum += i;
            }
            result = sum;
        });
        t.start();
        t.join();

        System.out.println("result =" + result);
    }
}

👁‍🗨创建线程计算1+2+3++1000，使用Callable版本

▪️创建一个匿名内部类，实现 Callable 接口.Callable 带有泛型参数.泛型参数表示返回值的类型.
▪️重写 Callable 的 call 方法，完成累加的过程.直接通过返回值返回计算结果.
▪️把 callable 实例使用 FutureTask 包装一下.
▪️创建线程，线程的构造方法传入 FutureTask.此时新线程就会执行 FutureTask 内部的 Callable的 call 方法，完成计算.计算结果就放到了 FutureTask 对象中.
▪️在主线程中调用 futureTask.get() 能够阻塞等待新线程计算完毕.并获取到 FutureTask 中的结果.

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class Demo37 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int sum = 0;
                for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
                    sum += i;
                }
                return sum;
            }
        };
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start();
        System.out.println(futureTask.get());
    }
}

理解 Callable

类似于 Runnable ，可以表示有一个具体的任务，通过 run 方法来描述任务的内容

🏸Callable 和 Runnable 相对，都是描述一个 "任务".Callable描述的是带有返回值的任务，Runnable描述的是不带返回值的任务.
🏸Callable 通常需要搭配 FutureTask 来使用.FutureTask 用来保存 Callable 的返回结果.因为
Callable 往往是在另一个线程中执行的，啥时候执行完并不确定.
🏸FutureTask 就可以负责这个等待结果出来的工作.

理解 FutureTask

想象去吃麻辣烫.当餐点好后，后厨就开始做了.同时前台会给你一张"小票".这个小票就是
FutureTask.后面我们可以随时凭这张小票去查看自己的这份麻辣烫做出来了没.

ReentrantLock

可重入互斥锁.和 synchronized 定位类似，都是用来实现互斥效果，保证线程安全

ReentrantLock 也是可重入锁."Reentrant" 这个单词的原意就是 "可重入"

ReentrantLock 的用法：经典风格的锁，通过 lock 和 unlock 方法来完成加锁解锁
▫️lock():加锁，如果获取不到锁就死等.
▫️trylock(超时时间)：加锁，如果获取不到锁，等待一定的时间之后就放弃加锁.
▫️unlock():解锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
public class Demo38 {
    private static int count = 0;
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                lock.lock();
                count++;
                lock.unlock();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                lock.lock();
                count++;
                lock.unlock();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

实际开发中，大多数情况下，使用 synchronized 即可.
ReentrantLock 相比 synchronized 还是有一些区别差异的.

ReentrantLock 和 synchronized 的区别:

🌀synchronized 是一个关键字，是 JVM 内部实现的（基于 C++ 实现）.ReentrantLock 是标准库的一个类，在 JVM 外实现的（基于 Java 代码实现）.

🌀synchronized 使用时不需要手动释放锁.ReentrantLock 使用时需要手动释放.使用起来更灵活，但是也容易遗漏 unlock.可以把 unlock 放到 finally 中.

💠synchronized 在申请锁失败时，会死等.ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就放弃.在加锁失败的时候不会阻塞，而是直接返回，通过返回值来反馈是加锁成功还是失败.

💠synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认是非公平锁.可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式.

💠更强大的唤醒机制.synchronized 是通过 Object 的 wait/notify 实现等待-唤醒.每次唤醒的是一个随机等待的线程.ReentrantLock 搭配 Condition 类实现等待-唤醒，可以更精确控制唤醒某个指定的线程.

如何选择使用哪个锁?

锁竞争不激烈的时候，使用 synchronized，效率更高，自动释放更方便.
锁竞争激烈的时候，使用 ReentrantLock，搭配 trylock 更灵活控制加锁的行为，而不是死等.
如果需要使用公平锁，使用 ReentrantLock.

原子类

原子类内部用的是 CAS 实现，所以性能要比加锁实现 ➕➕ 高很多。原子类有以下几个

AtomicBoolean
Atomiclnteger
AtomiclntegerArray
AtomicLong
AtomicReference
AtomicStampedReference
以 Atomiclnteger 举例，常见方法有

addAndGet(int delta); i += delta;

decrementAndGet(); --i;

getAndDecrement(); i--;
incrementAndGet(); ++i;
getAndIncrement(); i++;

详见文章第一部分内容

线程池

详细内容请跳转到此篇文章进行查看

信号量 Semaphore

信号量，用来表示 "可用资源的个数". 本质上就是⼀个计数器.

理解信号量

可以把信号量想象成是停车场的展示牌：当前有车位 100 个.表示有 100 个可用资源
当有车开进去的时候，就相当于申请一个可用资源，可用车位就 -1（这个称为信号量的 P 操作）
当有车开出来的时候，就相当于释放一个可用资源，可用车位就 +1（这个称为信号量的 V 操作）
如果计数器的值已经为 0 了，还尝试申请资源，就会阻塞等待，直到有其他线程释放资源

Semaphore 的 PV 操作中的加减计数器操作都是原子的，可以在多线程环境下直接使用.

👁‍🗨代码示例

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Demo39 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        semaphore.acquire();
        System.out.println("申请一个资源");
        semaphore.acquire();
        System.out.println("申请一个资源");
        semaphore.acquire();
        System.out.println("申请一个资源");
        semaphore.release();
        System.out.println("释放一个资源");
        semaphore.acquire();
        System.out.println("申请一个资源");
    }
}

用信号量还可以实现加锁解锁效果🔒🔓

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Demo38 {
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
//                lock.lock();
                try {
                    semaphore.acquire();
                    count++;
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
//                lock.unlock();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
//                lock.lock();
                try {
                    semaphore.acquire();
                    count++;
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
//                lock.unlock();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

CountDownLatch

同时等待 N 个任务执行结束.

好像跑步比赛，10 个选手依次就位，哨声响才同时出发；所有选手都通过终点，才能公布成绩。

很多时候，需要把一个大的任务，拆成多个小任务，通过 多线程/线程池 执行.
那么如何衡量，所有的任务都执行完毕了？

🔸构造 CountDownLatch 实例，初始化 20 表示有 20 个任务需要完成.

🔸每个任务执行完毕，都调用 countDownLatch.countDown().在 CountDownLatch 内部的计数器同时自减.

🔸主线程中使用 countDownLatch.await(); 阻塞等待所有任务执行完毕.相当于计数器为 0 了.

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
 
public class Demo40 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
 
        //构造方法的数字，就是拆分出来的任务个数
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(20);
 
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            int id = i;
            executorService.submit(() -> {
                System.out.println("下载任务 " + id + "");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("下载任务 " + id + " 结束执行");
                //完毕 over
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
 
        // 当 countDownLatch 收到了 20 个 “完成”，所有的任务就都完成了
        // await => all wait
        // await 这个词也是计算机术语，在python / js 意思是 async wait（异步等待）
        countDownLatch.await();
 
        System.out.println("所有任务都完成");
    }
}

📝相关面试题

1️⃣线程同步的方式有哪些？

synchronized, ReentrantLock, Semaphore 等都可以用于线程同步.

2️⃣为什么有了 synchronized 还需要 juc 下的 lock？

以 juc 的 ReentrantLock 为例，
●synchronized 使用时不需要手动释放锁.ReentrantLock 使用时需要手动释放.使用起来更灵活.
●synchronized 在申请锁失败时，会死等.ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就放弃.
●synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认是非公平锁.可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式.
●synchronized 是通过 Object 的 wait/notify 实现等待-唤醒.每次唤醒的是一个随机等待的线程.
ReentrantLock 搭配 Condition 类实现等待-唤醒，可以更精确控制唤醒某个指定的线程

3️⃣AtomicInteger 的实现原理是什么？

基于 CAS 机制. 伪代码如下:

执行过程参考上面 CAS "有哪些应用" 部分.

4️⃣信号量听说过么？之前都用在过哪些场景下？

信号量，用来表示 "可用资源的个数".本质上就是一个计数器
使用信号量可以实现 "共享锁"，比如某个资源允许 3 个线程同时使用，那么就可以使用 P 操作作为加锁，V 操作作为解锁，前三个线程的 P 操作都能顺利返回，后续线程再进行 P 操作就会阻塞等待，直到前面的线程执行了 V 操作.

5️⃣解释⼀下 ThreadPoolExecutor 构造方法的参数的含义

参考 ThreadPoolExecutor 章节https://blog.csdn.net/2301_80141037/article/details/146104441?spm=1001.2014.3001.5502

三、线程安全的集合类

原来的集合类，大部分都不是线程安全的
Vector,Stack,HashTable 是线程安全的（内置了 synchronized 无脑加锁，所以不建议用），其他的集合类不是线程安全的

多线程环境使用 ArrayList

1️⃣自己使用同步机制 (synchronized 或者 ReentrantLock)，自己加锁

前面做过很多相关的讨论了.此处不再展开.

2️⃣Collections.synchronizedList(new ArrayList);

synchronizedList 是标准库提供的⼀个基于 synchronized 进行线程同步的 List. synchronizedList 的关键操作上都带有 synchronized

如果需要使用 ArrayList/LinkedList 这样的结构，在标准库中提供了一个带锁的 List

3️⃣使用 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWrite 容器即写时复制的容器。没有加锁，通过写时复制来实现线程安全。

🥛当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行 Coy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，
🥛添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。

这样做的好处是我们可以对 CopyOnWrite 容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。

所以 CopyOnWrite 容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。
优点：
在读多写少的场景下，性能很高，不需要加锁竞争.因此，当前写时拷贝机制主要就是用来应对多个线程读，一个线程写这样的场景.
缺点：
1.占用内存较多.
2.新写的数据不能被第一时间读取到.

并且如果是针对多个线程同时写的情况，写实拷贝机制就难以应对