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

线程是程序中执行的最小单元，它是执行CPU操作、占有独立内存空间的数据结构。线程的并发执行是现代计算机操作系统提供的基本功能之一，它能够有效提升程序执行效率。

线程生命周期

线程的生命周期是线程从创建到销毁的整个过程。在Java中，线程的生命周期可以细分为以下几个阶段：

1. 新建态（New）：线程对象被创建后，但尚未启动，此时线程对象处于新建态。

   • 技术实现细节：通过new Thread(Runnable)或new Thread(Runnable, name)构造函数创建线程对象时，线程对象处于新建态。此时线程对象还没有分配系统资源，也没有启动执行。

2. 就绪态（Runnable）：线程对象创建后，调用start()方法后，线程进入就绪态，等待CPU时间片。

   • 技术实现细节：start()方法会调用操作系统线程调度器，将线程从新建态转换为就绪态。此时线程准备就绪，等待CPU时间片。

3. 运行态（Running）：线程获取CPU时间片开始执行，执行过程中可能会进入阻塞状态。

   • 技术实现细节：线程调度器将CPU时间片分配给线程，线程开始执行。在执行过程中，线程可能会由于I/O操作、等待锁等原因进入阻塞状态。

4. 阻塞态（Blocked）：线程在执行过程中，由于某种原因（如等待锁）放弃CPU时间片，进入阻塞状态。

   • 技术实现细节：线程因为等待某个资源或事件而无法继续执行，此时线程被阻塞。操作系统会释放CPU时间片，让其他线程执行。

5. 等待态（Waiting）：线程处于等待某些特定条件发生而主动放弃CPU时间片。

   • 技术实现细节：线程通过wait()方法主动释放CPU时间片，进入等待态。等待态的线程将不再参与CPU时间片的竞争。

6. 超时等待态（Timed Waiting）：线程处于等待某些特定条件发生，并设置超时时间，超时后进入就绪态。

   • 技术实现细节：线程通过wait(long timeout)或wait(long timeout, int nanos)方法设置超时时间，等待特定条件发生。如果在超时时间内条件没有发生，线程将自动唤醒并进入就绪态。

7. 终止态（Terminated）：线程执行完毕，或者调用stop()方法后进入终止态。

   • 技术实现细节：线程执行完任务后，或者调用stop()方法强制停止线程，线程进入终止态。此时线程无法再被调度执行。

线程优先级

线程优先级表示线程执行的重要程度，Java中线程优先级分为10个等级，数值越大，优先级越高。

• 技术实现细节：线程优先级通过Thread.getPriority()和Thread.setPriority(int priority)方法获取和设置。线程优先级仅作为调度时的一个建议，最终是否执行由JVM决定。

守护线程

守护线程是服务于其他线程的线程，当所有非守护线程结束时，JVM会退出。

• 技术实现细节：守护线程可以通过Thread.setDaemon(true)方法设置。守护线程可以创建守护线程，但不能创建守护线程的守护线程。

线程池

线程池是一种复用线程的技术，可以提高系统性能。

• 技术实现细节：线程池通过ExecutorService接口创建，并提供了多种构造函数和配置参数。例如，Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)创建固定大小的线程池，Executors.newCachedThreadPool()创建一个可根据需要创建新线程的线程池。

拒绝策略

线程池拒绝策略包括以下几种：

• AbortPolicy：抛出异常。

  • 技术实现细节：当任务无法被线程池执行时，线程池将抛出RejectedExecutionException异常。

• CallerRunsPolicy：由调用线程处理。

  • 技术实现细节：当任务无法被线程池执行时，将任务回退到调用线程执行。

• DiscardPolicy：丢弃任务。

  • 技术实现细节：当任务无法被线程池执行时，线程池将忽略该任务。

• DiscardOldestPolicy：丢弃最久未处理的任务。

  • 技术实现细节：当任务无法被线程池执行时，线程池将丢弃最久未处理的任务。

工作队列类型

线程池工作队列类型包括：

• LinkedBlockingQueue：线程安全的链表。

  • 技术实现细节：基于链表的阻塞队列，适用于任务数量较多的情况。

• ArrayBlockingQueue：线程安全的数组。

  • 技术实现细节：基于数组的阻塞队列，适用于任务数量较少的情况。

• PriorityBlockingQueue：优先级队列。

  • 技术实现细节：基于优先级堆的阻塞队列，适用于有优先级要求的任务。

同步机制

同步机制用于保证多线程并发访问共享资源时的安全。

• 悲观锁：假设所有并发操作都会冲突，采用锁机制保证线程安全。

  • 技术实现细节：悲观锁通过synchronized关键字或ReentrantLock等锁机制实现。

• 乐观锁：假设所有并发操作都不会冲突，采用版本号或时间戳机制保证线程安全。

  • 技术实现细节：乐观锁通过java.util.concurrent.atomic包中的AtomicInteger、AtomicLong等类实现。

• 读写锁：允许多个线程同时读取共享资源，但写入操作需要独占锁。

  • 技术实现细节：读写锁通过java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock实现。

• 条件变量：线程在满足特定条件时才继续执行。

  • 技术实现细节：条件变量通过java.util.concurrent.locks.Condition实现。

并发集合

Java提供了一些并发集合类，如：

• ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap。

  • 技术实现细节：ConcurrentHashMap内部采用分段锁机制，保证线程安全。

• CopyOnWriteArrayList：线程安全的ArrayList，适用于读多写少的场景。

  • 技术实现细节：CopyOnWriteArrayList在每次写入操作时，都会创建一个新的数组，并将旧数组的元素复制到新数组中。

并发工具类

Java提供了一些并发工具类，如：

• Phaser：线程同步器，支持分阶段并发控制。

  • 技术实现细节：Phaser允许线程在执行过程中按照预定的阶段进行同步。

• Exchanger：线程交换器，允许两个线程在交换数据后继续执行。

  • 技术实现细节：Exchanger允许两个线程在交换数据时，保证数据的一致性。

• FutureTask：线程的执行结果封装，允许线程异步执行。

  • 技术实现细节：FutureTask是Future接口的实现，允许线程异步执行任务。

非阻塞算法

非阻塞算法是指在不使用锁机制的情况下，通过算法保证线程安全。

• 技术实现细节：非阻塞算法通常使用原子操作（如CAS）和条件变量等机制。

CAS原理

CAS（Compare and Swap）是一种无锁算法，通过比较内存中值与预期值，若相等则将内存中的值更新为新值。

• 技术实现细节：CAS操作通常通过java.util.concurrent.atomic包中的AtomicInteger、AtomicLong等类实现。

Atomic类

Java提供了一系列Atomic类，如：

• AtomicInteger：线程安全的整型。

  • 技术实现细节：AtomicInteger通过内部原子操作保证线程安全。

• AtomicLong：线程安全的长整型。

  • 技术实现细节：AtomicLong通过内部原子操作保证线程安全。

• AtomicReference：线程安全的引用类型。

  • 技术实现细节：AtomicReference通过内部原子操作保证线程安全。

无锁队列

无锁队列是指不使用锁机制保证线程安全的队列，如：

• ConcurrentLinkedQueue：线程安全的无锁队列。
  • 技术实现细节：ConcurrentLinkedQueue通过CAS操作保证线程安全。

并发框架

一些常用的并发框架包括：

• Netty：高性能的NIO框架，适用于开发高性能的网络应用。

  • 技术实现细节：Netty基于Reactor模式实现，提供了高效的NIO支持。

• Akka：基于Actor模型的并发框架，适用于分布式系统开发。

  • 技术实现细节：Akka使用Actor模型实现并发编程，支持集群和容错。

• Disruptor：高性能的环形缓冲区，适用于高性能并发编程。

  • 技术实现细节：Disruptor使用环形缓冲区和CAS操作实现高性能的并发编程。

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