Java多线程与并发编程

你聊一聊多线程以及并发你是如何实现的，以往在实际工作中，遇到高并发的环境采用那些方案进行处理。

目标

• 基本概念 (Basic)
• 多线程 (Thread)
• 线程池 (Executor)
• 并发容器 (Collections)
• 同步工具 (Tools)
• 原子对象 (Atomic)

Java多线程并发编程6大核心

并发背后的故事

什么是并发？ 并发就是指程序同时处理多个任务的能力。 并发编程的根源在于多任务情况下对资源访问的有效控制。

你的程序在并发环境下一定是正确的吗？

• 🐟代码小抄-并发统计App Store下载次数

你必须知道的概念

程序，进程与线程

1. 程序：程序是静态的概念，Windows下通常指exe文件。
2. 进程：进程是动态的概念，当你双击一个程序，操作系统会把它加载到内存中运行，进程说明程序在内存中的边界。
3. 线程：一个进程包含多个线程，线程是CPU调度的基本单位，每个线程都有自己的功能。

并行与并发

1. 🚗并行 (Parallelism)：多核CPU同时处理

   • 就像多车道高速公路: 多辆车可以同时在不同的车道上行驶，互不干扰。
   • 在计算机中: 多个处理器或多核CPU同时执行多个任务，真正同时进行。

2. 🚚🚙🚗并发 (Concurrency)：单核CPU交替执行

   • 就像单车道上的多辆车: 虽然只有一条车道，但通过交替行驶，看起来像是同时前进。
   • 在计算机中: 单个处理器通过快速切换任务，给人同时处理的错觉，实际是交替执行。

同步和异步

1. ⏳同步 (Sync)：按顺序执行，干等着

   • 就像银行柜台办理业务： 你去银行取钱，需要排队，前面的人不办完，你不能办。
   • 在编程中： 代码按顺序执行，每个任务必须等前一个任务完成后才能执行下一个。

2. 🏃‍♂️异步 (Asyn)：不等了，先去忙别的，等有结果再回来处理

   • 就像去餐厅点餐： 你点完餐后不用等着，先去刷手机，等饭做好了，服务员再叫你来取。
   • 在编程中： 代码遇到耗时操作（比如网络请求）时不会等，而是先去执行别的任务，等操作完成后再回来处理结果。

临界区

1. 🚧临时区： 公共资源与共享数据，同一时间只能有一个线程访问
   • 就像公司的打印机：公司只有一台打印机（临界区），多个员工（线程）需要打印文件，每次只能一个员工使用。
   • 在编程中： 临时区是指对共享资源访问的代码片段，通过互斥锁（Mutex），信号量（Semaphore），原子操作（Atomic Operations）来实现。

死锁、饥饿、活锁

1. 🛑死锁（Deadlock）：🔒

   • 就像公路上堵车： 谁也不让谁，大家都卡住
   • 在编程中： 两个或多个线程互相持有对方需要的资源，导致无法继续执行。

2. 🍽️饥饿 (Starvation)：

   • 就像奶茶店排队： 总有人插队，有些人一直没机会买到奶茶。
   • 在编程中： 线程本身是有执行优先级的，如果优先级低的线程一直无法获取到CPU执行权，就会一直处于等待状态。

3. 🔁活锁 (Livelock)：

   • 就像礼让路口： 你让我，我让你，谁也不走。
   • 在编程中： 是指多个线程（进程）互相礼让，不断进行状态调整，但始终无法完成任务。

线程安全

1. 线程安全 (Thread-Safe) 理解： 多线程环境下，对共享资源的访问不会引起数据不一致。

2. 线程安全三大特性

   1. 🏗️原子性 (Atomicity)：

      • 就像银行转账： 要么扣钱和加钱都成功，要么都不成功。
      • 在编程中： 一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部不执行。

   2. 👀可见性 (Visibility)：

      • 就像聊天室： 你发的消息，其他人都能看到。
      • 在编程中： 一个线程对共享变量的修改，其他线程能立即看到。

   3. 🔀有序性 (Ordering)：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

      • 就像排队买票： 先来的先买票，后来的后买票。
      • 在编程中： 程序按照代码的先后顺序执行，不会乱序 通过volatile，synchronized，Lock来实现线程安全。

Java内存模型（JMM）

bilibili-磊哥-什么是Java内存模型（JMM）？

概念	作用	比喻
主内存（Main Memory）	线程共享的内存	🏢 共享数据库
工作内存（Working Memory）	线程私有的内存	📖 每个人的小笔记本
volatile	保证可见性、有序性	📢 共享公告
synchronized	保证原子性、可见性、有序性	🔒 互斥锁
happens-before 规则	规定线程间的执行顺序	📜 规则手册

创建线程的三种方式

• 🐟代码小抄-Java创建线程的三种方式
  1. 继承Thread类
  2. 实现Runnable接口
  3. 实现Callable接口

Synchronized线程同步机制

• 🐟代码小抄-Synchronized 三种使用场景，对应不同锁对象：
  1. synchronized 代码块（锁定任意对象）
  2. synchronized 方法（锁定当前实例对象 this）
  3. synchronized 静态方法（锁定类的字节码对象 Class）

Java线程的6种状态

• 🐟代码小抄-Java线程的6种状态

死锁的产生

1. 🐟代码小抄-Java死锁的案例

2. 死锁产生的原因：

   • 说人话就是互掐资源：
     • 你要用空调遥控器才把电视遥控器还我，我要用电视遥控器才把空调遥控器还你。结果俩人干瞪眼，谁都动不了。
   • 计算机中：
     • 在多线程对公共资源（文件、数据）等进行操作时，彼此不释放自己的资源，而去试图操作其他线程的资源，而形成交叉引用，就会产生死锁。

3. 死锁的四个必要条件（同时满足就死锁）：

   • 互斥条件（Mutual Exclusion）：资源一次只能被一个线程占用，不能共享。
   • 占有并等待条件（Hold and Wait）：线程拿着已有的资源不释放，但还想申请新资源。
   • 不可抢占条件（No Preemption）：资源不能强行夺走，只能等占有者主动释放。
   • 循环等待条件（Circular Wait）：线程之间形成环形依赖，每个线程都在等待下一个线程释放资源。

4. 解决死锁的建议：

   • 减少对公共资源的占用，或一次性申请所需的所有资源
   • 用完资源及时释放，释放资源后再申请新资源
   • 减少synchornized的使用，采用“副本”方式替代。

重新认识线程安全（ThreadSafe）

1. 线程安全定义

   • 在拥有共享数据的多条线程并行执行的程序中，线程安全的代码会通过同步机制保证各个线程都可以正常且正确的执行，不会出现数据污染等意外情况。

2. 通过synchornized，Lock，Atomic等方式实现线程安全。

3. 线程安全与不安全的区别

   • 线程安全：
     • 优点：可靠
     • 缺点：执行速度慢
     • 使用建议：在需要线程共享时使用
   • 线程不安全：
     • 优点：速度快
     • 缺点：可能与预期不符
     • 使用建议：在线程内部使用，无需线程间共享时使用

JUC并发工具

线程池（Executor）

1. 并发工具包： （java.util.concurrent） 在 Java 5 之前，我们只能使用 synchronized、wait、notify 等低级 API 来管理线程，代码复杂且容易出错。从 Java 5 开始，JDK 提供了 java.util.concurrent 并发工具包，帮我们更方便地处理线程、任务调度、数据共享等问题。

2. 💡什么是线程池（Thread Pool） 线程池（Thread Pool）是一种管理多个线程的技术，它通过复用已创建的线程来执行多个任务，避免了线程的频繁创建和销毁，从而提高系统性能。

   • 优点：
     • 重用存在的线程，减少对象对象、消亡的开销
     • 线程总数可控，提高资源的利用率
     • 避免过多资源竞争，避免阻塞
     • 提供额外功能，定时执行、定期执行、监控等。

3. 🐟代码小抄-Executors线程池的4种创建方式

   1. 可缓存线程池（CachedThreadPool）
      • 特点：线程数动态伸缩，适合大量短任务（如日志处理、网络请求）。
   2. 定长线程池：FixedThreadPool
      • 特点：线程数固定，适合长期稳定任务。
   3. 单线程池：SingleThreadExecutor
      • 特点：单线程按顺序执行，适合日志、数据库操作等顺序任务。
   4. 调度线程池：ScheduledThreadPool
      • 特点：定时或周期性任务，适用于心跳检测、定时任务。

4. ✅推荐自定义 ThreadPoolExecutor（避免 OOM）

   • bilibili-老齐-阿里为什么要禁用Java内置线程池？

同步工具 (Tools)

🐟代码小抄-JUC同步工具实战：黑神话悟空开服场景，理解使用场景，掌握API

1. CountDownLatch（倒计时锁）

   • 允许一个或多个线程等待多个线程完成任务后再继续执行。
   • 适用于 并发初始化多个资源 或 多个任务完成后统一汇总。

2. Semaphore（信号量）

   • 限制并发线程的数量，控制资源的访问。
   • 适用于 限流、连接池 等场景。

3. CyclicBarrier（循环屏障）

   • 让多个线程在某个时间点上同步执行。
   • 适用于所有线程都到达后才能继续执行的场景。

4. ReentrantLock（可重入锁）

   • 重入锁是指任意线程在获取到锁之后,再次获取该锁而不会被该锁所阻塞。
   • ReentrantLock设计的目标是用来替代synchronized关键字。
   • 🐟代码小抄-ReentrantLock三大特性&扩展功能

ReentrantLock 和 synchronized 的区别

特征	synchronized（推荐）	reentrantLock
底层原理	JVM实现	JDK实现
性能区别	低->高（JDK5+）	高
锁的释放	自动释放（编译器保证）	手动释放（finally保证）
编码程度	简单	复杂
锁的粒度	读写不区分	读锁、写锁
高级功能	无	公平锁、非公平锁唤醒Condition分组唤醒中断等待锁

5. Condition（线程等待与唤醒）

   • Condition 是和 ReentrantLock 搭配使用的 等待/通知 机制。
   • 设计的目标是用来替代传统的 wait()/notify()，但 更灵活，控制线程执行顺序！
   • 🐟代码小抄-Condition结合ReentrantLock的应用场景

6. bilibili-老齐-CompletableFuture多线程编排实践

   • 🐟代码小抄-CompletableFuture使用
   • 🤖CatGPT-CompletableFuture 多线程编排实践
   1. 基本概念： CompletableFuture 是 Java 8 引入的异步编程工具，扩展了 Future，支持链式回调、任务组合和异常处理。
      • 既实现了 Future 接口，又实现了 CompletionStage 接口。
      • 支持非阻塞式异步任务，提高系统吞吐量。
      • 提供丰富的任务组合方式，如串行执行、并行执行、结果合并等。
      • 提供异常处理机制，能够在任务失败时执行回退逻辑。
   2. 异步任务创建：supplyAsync() 有返回值，runAsync() 无返回值。
      • completedFuture()：已完成，用于测试或默认值。
   3. 串行执行：thenApply() 转换结果，thenAccept() 只消费，thenRun() 只执行任务。
   4. 并行组合：thenCombine() 组合结果，allOf() 等待所有完成，anyOf() 选取最快的。
   5. 异常处理：exceptionally() 处理异常默认值，handle() 处理异常并可返回新值，whenComplete() 记录异常但不改变结果。

并发容器 (Collections)

面试题：线程安全的类

类别	线程安全	线程不安全
List（列表）	Vector	ArrayList、LinkedList
Set（集合）	❌（默认都不安全）	HashSet、TreeSet
Map（映射）	Hashtable	HashMap
Properties	Properties（继承 Hashtable，线程安全）	❌
String	StringBuffer	StringBuilder

JUC下线程安全的并发容器

• ArrayList -> CopyOnWriteArrayList - 写复制列表
• HashSet -> CopyOnWriteArraySet - 写复制集合
• HashMap -> ConcurrentHashMap - 分段锁映射

原子对象 (Atomic)

1. 原子性 (Atomicity)：
   • 定义：一个操作或多个操作要么全部执行，且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
2. 🐟代码小抄-乐观锁 vs 悲观锁
   • 乐观锁：
     • 每次不加锁，而是假设没有冲突而去完成某项操作。如果因为冲突失败，就重试，直到成功。
   • 悲观锁：
     • 假设最坏情况，独占资源，确保不会被其它线程修改。例如 synchronized，数据库 select... for update。
3. Atomic 包
   • 提供无锁（lock-free）的原子类，确保并发数据安全，适用于高并发场景。
   • 原理：通过 CAS（Compare And Swap）操作，保证数据的原子性。
   • 🐟代码小抄-原子对象 (Atomic) 的使用

分类	类名	作用
基本类型	AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean	提供基本类型的原子操作
数组类型	AtomicIntegerArray、AtomicLongArray	对数组元素进行原子更新
引用类型	AtomicReference<T>、AtomicStampedReference<T>、AtomicMarkableReference<T>	适用于对象引用的原子更新，支持版本控制和标记
字段更新器	AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater	允许对 volatile 修饰的字段进行原子更新

4. 解决 ABA 问题
   • 当变量从 A → B → A 变化，CAS 可能认为它未被修改，导致错误。
   • 解决方案：使用 AtomicStampedReference 记录版本号。