Java并发编程实战深入理解线程、锁与线程安全设计模式

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Java并发编程中的线程与锁机制

线程是Java并发编程的基础单元，通过`Thread`类或实现`Runnable`接口启动。线程可处于新建、就绪、运行、阻塞、死亡等状态，通过`start()`方法触发调度。多线程环境下，共享资源竞争可能导致竞态条件（Race Condition），表现为结果不确定性或程序崩溃，需通过同步机制确保线程安全。

锁机制是实现线程安全的核心工具。Java内置的` synchronized `关键字提供了基于监视器的互斥锁，其底层通过对象的Monitor实现，遵循“先来先得”原则。而` java.util.concurrent.locks.ReentrantLock `则提供了可中断、公平性等高级特性，且支持尝试加锁（`tryLock()`）。此外，JVM通过锁升级机制优化性能：偏向锁（Biased Locking）默认启用，假设单线程访问共享资源时避免同步开销；竞争发生时逐步升级为轻量级锁、重量级锁，最终阻塞线程。

线程安全设计模式常用于解决常见问题：

1. 单例模式的线程安全实现：采用双重检查锁定（Double-Check Locking），确保对象仅被创建一次。

2. 线程安全集合：如`ConcurrentHashMap`通过分段锁（Segment）实现高并发读写，`CopyOnWriteArrayList`利用写时复制保证读操作无锁。

3. 生产者-消费者模式：使用` BlockingQueue `或` await/notifyAll `机制实现线程间协作，避免竞争和死锁。

设计中需遵循最小锁周期原则，即同步块仅包裹关键操作代码。避免过度依赖锁，可结合原子类（`AtomicInteger`等）和无锁算法提升性能。线程池（`ThreadPoolExecutor`）与协程式调度（如Fork/Join框架）进一步优化资源利用，是并发编程的高级实践方向。