并发编程核心知识

📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

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并发编程知识体系

一、线程基础

并发编程的核心是线程，它是程序执行的最小单元。线程基础涉及以下几个方面：

1. 线程生命周期：线程从创建到销毁，经历了多个状态转变。在Java中，线程的生命周期主要分为以下几种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、超时等待（Timed Waiting）和终止（Terminated）。线程状态之间的转换由Java虚拟机（JVM）管理，如线程执行完任务后自动进入终止状态，而线程执行某些操作（如等待资源）时则会进入阻塞或等待状态。

2. 线程优先级：Java中的线程优先级分为1到10级，其中1为最低优先级，10为最高优先级。线程优先级主要用于调度，优先级高的线程更有可能获得CPU时间片。但需要注意的是，优先级高的线程并不保证一定能获得CPU时间，因为线程的调度还受到线程调度算法的影响。

3. 守护线程：守护线程（Daemon Thread）是服务于其他线程的线程，当所有非守护线程结束时，守护线程也会随之结束。守护线程通常用于执行后台任务，如垃圾回收器。在Java程序中，可以通过调用setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。

4. 线程池：线程池是一组预先创建好的线程，用于执行多个任务。线程池可以提高资源利用率，减少创建和销毁线程的开销。在Java中，可以使用ExecutorService接口及其实现类来创建线程池。线程池的配置参数包括核心线程数、最大线程数、空闲存活时间、队列容量等。

二、核心参数配置

线程池的配置参数包括：

1. 核心线程数：线程池中的核心线程数，即使没有任务执行，这些线程也会一直存活。核心线程数决定了线程池的基本大小。

2. 最大线程数：线程池中的最大线程数，当任务数量超过核心线程数时，会创建新的线程。最大线程数应根据系统的CPU核心数和内存大小来设置，避免过多线程造成系统资源竞争。

3. 空闲存活时间：线程空闲的时间，超过这个时间后，线程会被回收。空闲存活时间应结合任务执行时间和线程创建、销毁的开销来设置。

4. 队列容量：工作队列的容量，当任务数量超过这个容量时，会创建新的线程或者拒绝任务。队列容量应根据任务的特点和线程池的配置来设置，如任务执行时间较长，则可以适当增大队列容量。

三、拒绝策略

当任务数量超过线程池的最大容量时，会采取不同的拒绝策略：

1. AbortPolicy：抛出RejectedExecutionException异常，表示线程池已拒绝任务。

2. CallerRunsPolicy：调用任务的线程会执行该任务，即将任务提交给调用任务的线程执行。

3. DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛出异常。

4. DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最先进入的任务，再尝试执行当前任务。

四、工作队列类型

工作队列有以下几种类型：

1. LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，适用于生产者消费者模型。其特点是线程安全，可提供高并发性能。

2. ArrayBlockingQueue：基于数组的阻塞队列，线程安全。其特点是可预分配内存，性能较好。

3. SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，适用于一对一的线程通信。其特点是线程安全，适用于高并发场景。

五、同步机制

同步机制包括：

1. 悲观锁/乐观锁：悲观锁假设数据冲突的概率较高，采用锁机制确保数据一致性；乐观锁假设数据冲突的概率较低，通过版本号或时间戳等机制保证数据一致性。

2. 读写锁：读写锁允许多个线程同时读取数据，但只允许一个线程写入数据。读写锁可以提高并发性能，适用于读多写少的场景。

3. 条件变量：线程在等待某个条件成立时，可以挂起自己，直到条件成立。条件变量通常与锁一起使用，用于实现多线程间的通信。

六、并发集合

Java提供了多种并发集合，如：

1. ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap，适用于高并发场景。其特点是支持高并发访问，并提供高效的并发控制。

2. CopyOnWrite容器：在写入操作时，会创建一个新的副本，避免数据冲突。适用于读多写少的场景。

3. BlockingQueue：线程安全的队列，适用于生产者消费者模型。其特点是线程安全，支持阻塞操作。

七、并发工具类

并发工具类包括：

1. Phaser：用于管理多个线程的同步，类似于CyclicBarrier和CountDownLatch。Phaser允许线程在某个节点处同步，并支持动态调整参与同步的线程数。

2. Exchanger：用于在线程之间交换数据。Exchanger允许两个线程在某个节点处交换数据，并支持线程之间的通信。

3. FutureTask：用于异步执行任务，返回执行结果。FutureTask提供了对异步任务结果的访问，并支持线程间的通信。

八、非阻塞算法

非阻塞算法包括：

1. CAS原理：Compare-And-Swap（比较并交换）操作，用于实现无锁编程。CAS操作包括三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当内存位置的值与预期原值相同时，将内存位置的值修改为新值。

2. Atomic类：提供了各种原子操作的方法，如AtomicInteger、AtomicLong等。Atomic类可以保证线程安全，适用于高并发场景。

3. 无锁队列：基于CAS原理实现的线程安全队列。无锁队列可以保证线程安全，适用于高并发场景。

九、并发框架

并发框架包括：

1. Netty线程模型：基于NIO的异步事件驱动的网络应用程序框架。Netty采用主从多线程模型，可以提供高性能、高并发的网络通信能力。

2. Akka Actor模型：基于Actor模型，实现高并发、高可用和分布式系统。Akka允许组件以无状态的方式运行，并提供容错机制。

3. Disruptor环形缓冲区：基于环形缓冲区的并发编程框架，适用于高并发场景。Disruptor提供高性能的并发控制，适用于处理高并发任务。

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