Java 并发编程总结

最近系统梳理了 Java 并发编程的核心知识点，将一些关键内容整理如下，方便日后回顾。

1. JMM 与 Happens-Before 规则理解

JMM（Java 内存模型）定义了线程如何通过内存进行交互，以及何时能够看到其他线程的写入操作。它主要解决了可见性与有序性问题（注意：原子性不在其范畴内）。

Happens-Before 是 JMM 的核心概念，常见的规则包括：

1. 程序次序规则：单线程内顺序执行
2. 监视器锁规则：解锁操作先于后续的加锁操作
3. volatile 变量规则：写操作先于后续的读操作
4. 线程启动与终止规则：start() 先于线程内操作，线程内操作先于终止检测
5. 传递性规则：A → B，B → C，则 A → C
6. 中断规则：对线程的 interrupt() 调用先于被中断线程的响应
7. final 字段规则：正确构造的 final 字段在构造完成后对其他线程可见

指令重排序是允许的，但前提是不能破坏 Happens-Before 约束。JIT 编译器的重排序受到内存屏障的限制，synchronized 和 volatile 在编译后都会生成相应的屏障指令。

// 典型示例：volatile 保证可见性
volatile boolean ready = false;
int data = 0;void writer() {data = 42;          // 普通写ready = true;       // volatile 写，建立HB关系
}void reader() {if (ready) {        // volatile 读，看到true则之前的写操作都可见System.out.println(data); // 保证输出42}
}

易错点：
• 误以为 volatile 能保证复合操作的原子性（如 i++）
• 不了解 final 字段的发布规则导致对象逸出

延伸思考：为什么 final 字段构造完成后对其他线程可见？
参考答案：因为 JMM 在构造结束时插入了内存屏障，且要求对象引用在构造完成前不能逸出。

2. volatile 与 synchronized 的区别与适用场景

这两个关键字解决了不同层面的并发问题：
volatile：
• 保证可见性和禁止指令重排序
• 不保证原子性
• 适用场景：状态标志位、一次性发布（如配置加载）

synchronized：
• 保证互斥访问和可见性
• 通过进入/退出临界区时的内存屏障实现
• 适用场景：需要原子性操作的复合逻辑

// volatile 典型用法：停止标志
class StoppableTask {private volatile boolean stopRequested;public void run() {while (!stopRequested) {// 执行任务}}public void stop() {stopRequested = true;}
}

易错点：使用 volatile 进行计数操作（如 ++）无法保证原子性

延伸思考：AtomicInteger 如何实现原子性？
答：AtomicInteger 通过 CAS + 自旋循环实现原子性，适合计数器场景。

3. CAS 原理与 ABA 问题解决方案

CAS（Compare-And-Swap）是无锁编程的核心操作：
• 比较内存中的值与期望值，相等则写入新值
• 基于硬件指令实现，冲突时通过自旋重试
• JDK9+ 使用 VarHandle 替代 Unsafe

ABA 问题：值从 A → B → A 的变化过程，CAS 无法感知中间状态变化
• 解决方案：添加版本号（AtomicStampedReference）或使用带标记的指针

// 使用版本号解决ABA问题
AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);int[] stampHolder = new int[1];
int currentStamp = ref.getStamp();
int currentValue = ref.get(stampHolder);// 更新时同时检查值和版本号
ref.compareAndSet(currentValue, 200, currentStamp, currentStamp + 1);

注意：高竞争场景下自旋可能导致 CPU 占用过高，需考虑退避策略

4. synchronized 与 ReentrantLock 选择策略

两者都是可重入互斥锁，但各有特点：
synchronized：
• 语法简洁，JVM 内置支持
• JIT 编译器会进行偏向锁、轻量级锁等优化
• 自动释放锁，不易遗漏

ReentrantLock：基于 AQS（state + CLH 队列）
• 支持公平锁选项
• 支持可中断的锁获取
• 支持超时尝试获取锁
• 支持多个条件变量（Condition）

// ReentrantLock 的典型用法
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁try {if (lock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {// 临界区操作} finally {lock.unlock(); // 必须手动释放}}
} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();
}

5. AQS 核心设计思想

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包的核心基础框架：

核心组件：
• state：同步状态，不同子类有不同语义（如重入次数、许可数等）
• CLH 队列：双向队列管理等待线程
• 两种模式：独占模式（ReentrantLock）和共享模式（Semaphore）
条件变量：ConditionObject 维护单独的条件队列，signal 时转移到同步队列

工作流程：

1. 尝试获取锁（tryAcquire）
2. 失败则加入队列，park 等待
3. 释放锁时唤醒后继节点

注意：自定义 AQS 时需要正确处理可重入和中断响应
共享模式的典型实现？（Semaphore、CountDownLatch）

6. Condition 与 wait/notify 对比

Condition 提供了比传统 wait/notify 更精细的线程协调机制：

优势：
• 一个锁可以关联多个条件队列
• 支持精确唤醒（signal vs signalAll）
• 更清晰的语义表达（wait/notify 依赖对象监视器，只有一个等待集）

// 生产者-消费者模式中使用两个Condition
class BoundedBuffer {final Lock lock = new ReentrantLock();final Condition notFull = lock.newCondition();final Condition notEmpty = lock.newCondition();final Object[] items = new Object[100];int putptr, takeptr, count;public void put(Object x) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (count == items.length)notFull.await();items[putptr] = x;if (++putptr == items.length) putptr = 0;++count;notEmpty.signal();} finally {lock.unlock();}}// take方法类似
}

注意：必须在持有锁时调用 await/signal，且 signal 可能早于 await 导致信号丢失。
为什么必须在 try/finally 中 unlock()？（异常路径也要释放）

7. 读写锁选择：ReadWriteLock vs StampedLock

根据读写模式选择不同的锁实现：

ReentrantReadWriteLock：
• 读锁共享，写锁独占
• 可重入，支持条件变量
• 写锁可降级为读锁

StampedLock：
• 提供乐观读模式，性能更高
• 不可重入，不支持条件变量
• 通过 stamp 验证锁有效性

// StampedLock 乐观读示例
StampedLock lock = new StampedLock();
int value = 0;int readValue() {long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 乐观读int currentValue = value;if (!lock.validate(stamp)) {          // 验证期间是否有写操作stamp = lock.readLock();          // 转为悲观读try {currentValue = value;} finally {lock.unlockRead(stamp);}}return currentValue;
}

选型建议

• 读多写少且性能要求高 → StampedLock；
• 需要可重入或条件变量 → ReadWriteLock

8. 线程池参数配置实践

线程池 ThreadPoolExecutor 配置需要根据业务特点设计：

核心参数：
• corePoolSize：核心线程数，CPU 密集型建议 Ncpu+1
• maximumPoolSize：最大线程数，I/O 密集型可适当增大
• workQueue：任务队列，推荐有界队列避免 OOM
• keepAliveTime+unit：空闲线程存活时间
• threadFactory：线程工厂，建议设置线程名称和异常处理器
• handler：拒绝策略，根据业务需求选择（Abort（默认）、CallerRuns、Discard、DiscardOldest）

// 线程池配置示例
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(4,                                      // corePoolSize16,                                     // maximumPoolSize  60, TimeUnit.SECONDS,                   // keepAliveTimenew LinkedBlockingQueue<>(1000),        // 有界队列r -> {                                  // 线程工厂Thread t = new Thread(r, "biz-thread-" + counter.getAndIncrement());t.setUncaughtExceptionHandler((thread, ex) -> logger.error("Uncaught exception in {}", thread.getName(), ex));return t;},new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() // 拒绝策略
);

监控指标：活跃线程数、队列大小、拒绝任务数等需要纳入监控。
任务提交速率远超处理能力怎么办？（背压/限流/降级/拆分池/熔断）

9. CompletableFuture 组合编程

CompletableFuture 提供了强大的异步编程能力：

常用操作：

• supplyAsync(task, executor): 指定线程池，默认是 ForkJoinPool.commonPool
  • thenApply/thenAccept：转换和消费结果
  • thenCompose：扁平化嵌套 Future
  • thenCombine：合并多个 Future 结果
  • allOf/anyOf：等待所有/任意任务完成

异常处理：
• exceptionally：异常恢复
• handle：统一处理结果和异常
• whenComplete：完成时回调

// 并行调用多个服务并合并结果
CompletableFuture<String> futureA = CompletableFuture.supplyAsync(this::callServiceA, executor);
CompletableFuture<String> futureB = CompletableFuture.supplyAsync(this::callServiceB, executor);CompletableFuture<String> combined = futureA.thenCombine(futureB, (a, b) -> a + b).exceptionally(ex -> {logger.warn("Service call failed, using fallback", ex);return "fallback-value";});String result = combined.join();

与 Future 的区别？（可组合、非阻塞回调）

10. ForkJoinPool 工作窃取机制

ForkJoinPool 采用工作窃取（work-stealing）算法提升性能：

核心机制：
• 每个工作线程维护自己的双端队列
• 本地任务 LIFO 执行，窃取其他队列任务时从尾部获取
• 减少竞争，提高 CPU 利用率

并行流注意事项：
• 并行流底层使用 ForkJoinPool.commonPool
• 避免在并行流中执行阻塞 I/O 操作
• 注意 ThreadLocal 上下文传递问题

// 在自定义ForkJoinPool中执行并行流
ForkJoinPool customPool = new ForkJoinPool(4);
try {customPool.submit(() -> dataList.parallelStream().map(this::processItem).collect(Collectors.toList())).get();
} finally {customPool.shutdown();
}

Java 并发工具实践总结（续）

11. 同步器选择：CountDownLatch vs CyclicBarrier vs Phaser

在实际项目中，根据不同的同步需求选择合适的同步工具非常重要：

CountDownLatch - 一次性门闩
• 典型场景：主线程等待多个子任务完成初始化
• 特点：计数不可重置，等待线程在计数归零后继续执行

// 等待三个服务初始化完成
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);executor.execute(() -> {initServiceA();latch.countDown();
});executor.execute(() -> {initServiceB(); latch.countDown();
});executor.execute(() -> {initServiceC();latch.countDown();
});// 主线程等待所有服务初始化完成
latch.await();
logger.info("所有服务初始化完成");

CyclicBarrier - 可复用栅栏
• 典型场景：多线程数据分片处理，需要同步点
• 特点：可重置，支持栅栏动作（barrier action）

Phaser - 多阶段栅栏
• 典型场景：多阶段任务协作，参与者动态变化
• 优势：支持阶段推进、动态注册/注销参与者

未处理屏障破裂异常（BrokenBarrierException）
异常路径忘记调用 countDown()，导致主线程永久等待
Phaser 相比 CyclicBarrier 的优势？（动态参与者、阶段控制）

12. BlockingQueue 的几种实现差异

不同的 BlockingQueue 实现适用于不同场景：

• ArrayBlockingQueue：基于数组的有界队列，支持公平策略（减少线程饥饿），固定容量，内存占用可控。

• LinkedBlockingQueue：基于链表的队列，默认无界（Integer.MAX_VALUE），吞吐量通常更高，但可能导致 OOM。适合任务量相对可控的场景

• PriorityBlockingQueue：无界优先级队列，消费顺序取决于优先级，非入队顺序，适合需要优先处理某些任务的场景

• DelayQueue：基于优先级队列的延迟队列，元素需实现 Delayed 接口，适合定时任务、缓存过期等场景

注意：生产禁用无界队列，避免无界队列导致的内存溢出和背压失效问题。

13. ThreadLocal 的正确使用与内存泄漏防范

ThreadLocal 非常适合存储线程上下文信息，但需要谨慎使用。

// 线程安全的日期格式化
private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> DATE_FORMATTER = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));public String formatDate(Date date) {try {return DATE_FORMATTER.get().format(date);} finally {// 关键：在线程池环境中必须清理，避免内存泄漏DATE_FORMATTER.remove();}
}

内存泄漏风险：
• 线程池中的线程会复用，如果不调用 remove()，ThreadLocal 值会一直存在
• 值对象如果较大，会导致严重的内存泄漏
• 建议使用 try-finally 确保清理

InheritableThreadLocal在线程池下为何危险 ：在线程池中，子任务可能由不同线程执行，继承语义会错乱，不建议在异步场景使用。

14. 死锁预防与诊断实践

死锁是并发编程中的经典问题，需要从预防和诊断两方面着手：

预防措施：

// 使用 tryLock 避免死锁
ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();public void safeOperation() {if (lock1.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {if (lock2.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {// 临界区操作doCriticalWork();} finally {lock2.unlock();}}} finally {lock1.unlock();}}
}

统一加锁顺序是预防死锁的有效方法，确保所有线程以相同顺序获取锁。

诊断工具：
• jstack：查看线程状态和锁持有情况
• JFR：Java Flight Recorder 记录详细并发事件
• ThreadMXBean.findDeadlockedThreads()：编程式检测死锁

概念区分：
• 死锁：相互等待对方释放锁
• 活锁：线程不断重试但无法前进（如消息处理失败不断重试）
• 饥饿：某些线程长期得不到执行机会

15. ConcurrentHashMap 内部机制理解

核心改进：
• 摒弃分段锁，使用 bin-level 锁（synchronized）+ CAS 初始化桶。
• 高冲突时链表转红黑树（treeify），阈值 8/6，提升查询效率
• 扩容时支持多线程协同迁移

使用注意：
• size() 返回的是近似值，因为并发环境下精确计数代价太高
• 复合操作（如 putIfAbsent）仍需外部同步保证原子性
• computeIfAbsent 在并发环境下可能被多次执行，需要保证幂等性

16. 结构化并发改善代码可维护性

结构化并发让异步代码具有同步代码的清晰结构。

try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {// 并行发起多个RPC调用Supplier<String> userTask = scope.fork(() -> userService.getUser(userId));Supplier<String> orderTask = scope.falk(() -> orderService.getOrders(userId));// 等待所有任务完成或任一失败scope.join();scope.throwIfFailed();// 组合结果return new UserResponse(userTask.get(), orderTask.get());
}

优势：
• 任务生命周期管理自动化
• 异常传播和取消机制更完善
• 避免"悬挂任务"问题

• 与 CompletableFuture.allOf 相比，结构化并发提供了更好的可观察性和控制力。

17. 性能优化：减少竞争与伪共享

在高并发场景下，减少竞争是关键优化方向：

减少锁竞争：
• 数据分片（如 LongAdder 的分段计数）
• 读写分离（读写锁、CopyOnWrite）
• 乐观策略（StampedLock 乐观读）

解决伪共享：

// 使用缓存行填充避免伪共享
@jdk.internal.vm.annotation.Contended
public class Counter {private volatile long value;// 自动添加填充字节，避免与其他热点字段共享缓存行
}

LongAdder 的热点规避原理：通过分桶（Cell数组）分散写压力，sum时合并结果，在高并发写场景下性能远超AtomicLong。