跳到主要内容

并发编程知识体系概览

什么是并发编程？​

并发编程（Concurrent Programming） 是指让程序同时处理多个任务的编程方式。想象一个餐厅：

  • 串行：一个服务员接单 → 做菜 → 上菜 → 接下一桌（效率极低）
  • 并发：一个服务员在多桌之间切换（一桌等菜时去另一桌接单）
  • 并行：多个服务员同时服务不同的桌（真正的"同时"）

在 Java 中，线程（Thread） 是并发的基本单位。一个 Java 进程可以创建多个线程，多个线程共享进程的内存空间（堆），同时又各自拥有独立的栈。

为什么并发编程在 Java 面试中如此重要？​

原因说明
面试必考synchronized、volatile、线程池、CAS 几乎是 Java 面试的"标配"
服务端本质Java 后端处理的每个 HTTP 请求都是一个线程，天然就是多线程环境
Bug 温床线程安全问题（数据不一致、死锁、竞态条件）是线上事故的常见原因
性能优化合理使用线程池和并发工具可以充分利用多核 CPU

核心知识点​

线程基础——并发的"起点"​

Java 创建线程的方式：继承 Thread 类、实现 Runnable 接口、实现 Callable 接口（有返回值）、线程池提交任务。

线程有 6 种状态：

synchronized——Java 的内置锁​

synchronized 是 Java 最基本的同步原语，可以修饰方法或代码块。底层依赖对象头的 Monitor（监视器锁）。

JDK 6 对 synchronized 做了大幅优化，引入了锁升级机制：

无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁\text{无锁} \rightarrow \text{偏向锁} \rightarrow \text{轻量级锁} \rightarrow \text{重量级锁}
  • 偏向锁：只有一个线程访问时，在对象头记录线程 ID，几乎零开销
  • 轻量级锁：两个线程交替访问（无竞争），通过 CAS 自旋获取锁
  • 重量级锁：激烈竞争时，线程进入阻塞队列等待唤醒

volatile——轻量级的"可见性保证"​

volatile 关键字保证两件事：

  1. 可见性：一个线程修改了 volatile 变量，其他线程立即可见（禁止 CPU 缓存）
  2. 有序性：禁止指令重排序（通过内存屏障实现）

但 volatile 不保证原子性——volatile int count; count++ 仍然不是线程安全的（读-改-写不是原子操作）。volatile 最经典的应用是双重检测锁（DCL）单例模式。

CAS 与原子类——无锁并发​

CAS（Compare And Swap） 是一种无锁的并发原语："比较当前值是否等于预期值，如果是就更新为新值"。CAS 是 java.util.concurrent 包的基石，AtomicInteger、AtomicLong 等原子类底层都是 CAS。

CAS 的经典问题是 ABA 问题——值从 A 变成 B 再变回 A，CAS 认为"没变过"。解决方案：AtomicStampedReference（加版本号）。

线程池——线程的"资源池"​

频繁创建/销毁线程开销很大，线程池通过复用线程来降低开销。ThreadPoolExecutor 有 7 个核心参数：

new ThreadPoolExecutor(
    corePoolSize,      // 核心线程数
    maximumPoolSize,   // 最大线程数
    keepAliveTime,     // 非核心线程空闲存活时间
    unit,              // 时间单位
    workQueue,         // 任务队列
    threadFactory,     // 线程工厂
    handler            // 拒绝策略
);

任务提交流程：核心线程未满 → 创建核心线程执行；核心线程已满 → 放入队列；队列已满 → 创建非核心线程；全满 → 执行拒绝策略。

为什么不推荐使用 Executors 创建线程池？

Executors.newFixedThreadPool() 的队列是无界的 LinkedBlockingQueue，可能导致 OOM；Executors.newCachedThreadPool() 最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，可能创建大量线程。阿里 Java 规范要求直接使用 ThreadPoolExecutor 手动指定参数。

AQS——并发工具的"基石"​

AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 是 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore 等并发工具的底层框架。它维护一个 state 变量和一个 CLH 等待队列——线程通过 CAS 修改 state 来获取/释放锁，获取不到就加入队列等待。

ThreadLocal——线程的"私有存储"​

ThreadLocal 为每个线程提供一份独立的变量副本——线程之间互不干扰。常用于存储用户上下文（如登录用户信息）、数据库连接、日期格式化器等。

内存泄漏风险

ThreadLocal 的 Entry 的 key 是弱引用，GC 后 key 变为 null，但 value 仍然强引用存在，导致内存泄漏。使用完毕必须调用 remove()。

学习建议​

推荐学习路径
  1. 线程基础 → 生命周期、创建方式、中断机制
  2. synchronized → Monitor、锁升级
  3. volatile + CAS → JMM、内存可见性、原子操作
  4. 线程池 → 7 参数、执行流程、拒绝策略
  5. AQS + Lock → ReentrantLock、读写锁
  6. 并发工具类 → CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier
  7. CompletableFuture → 异步编排

相关链接​