Java并发编程深度解析从synchronized到JUC的实战演进

Java并发编程的基石：synchronized

在多线程并发访问共享资源时，防止数据不一致和竞态条件是至关重要的。Java语言提供了`synchronized`关键字，作为最基础且强大的内置锁机制。它通过给对象加锁的方式，保证同一时刻最多只有一个线程可以执行某个代码段（同步代码块）或方法（同步方法）。其底层实现依赖于对象头中的Mark Word和监视器锁（Monitor），使得获取锁失败的线程会被阻塞，进入对象的等待队列，直到锁被释放。

synchronized的局限性

尽管`synchronized`简单易用，但其阻塞式的锁机制在高并发场景下暴露出诸多性能瓶颈。首先，被阻塞的线程无法中断，只能等待，这可能导致响应延迟。其次，锁的获取和释放是固化的，尝试获取锁的线程要么成功，要么失败并阻塞，缺乏“尝试”或“超时”获取的灵活性。最后，单一的互斥锁无法满足复杂的同步需求，如读写分离、条件等待等，这催生了更强大的并发工具集的诞生。

JUC的诞生与核心思想

为了克服`synchronized`的局限性，Java 5.0引入了Java并发工具包（Java Util Concurrent, JUC）。JUC的设计哲学并非替代`synchronized`，而是提供一套更丰富、更灵活、性能更高的并发编程组件。其核心思想是将同步策略多样化，通过非阻塞的乐观锁（如CAS操作）、可重入锁、读写锁以及各种同步辅助类，将线程的调度与控制权更大程度地交给开发者，以应对不同的并发场景。

Lock接口与ReentrantLock：更灵活的互斥锁

``Lock``接口是JUC中互斥锁的抽象，其实现类``ReentrantLock``提供了与`synchronized`相同的互斥性和内存可见性，但功能更为强大。它支持尝试非阻塞地获取锁（`tryLock()`）、可中断地获取锁（`lockInterruptibly()`）以及超时获取锁，极大地提高了程序的响应性和灵活性。此外，通过其`newCondition()`方法可以创建多个条件变量（`Condition`），实现更精细的线程等待与通知机制，这是`synchronized`搭配`wait()`/`notify()`所无法做到的。

读写锁（ReadWriteLock）与StampedLock

对于“读多写少”的场景，互斥锁会成为性能瓶颈，因为读操作本身并不需要互斥。JUC提供了`ReentrantReadWriteLock`，它采用读写分离的策略，允许多个读线程同时访问，但写线程独占访问，从而大幅提升读操作的并发吞吐量。为进一步优化读性能，Java 8引入了`StampedLock`，它提供了乐观读模式。线程在尝试乐观读时不会阻塞，读完后再验证期间是否有写操作，若无则直接返回，避免了读锁的开销，在高竞争环境下性能更优。

原子变量类与CAS操作

JUC的`java.util.concurrent.atomic`包提供了一系列原子变量类（如`AtomicInteger`）。它们并非通过锁，而是通过底层硬件的CAS（Compare-And-Swap） 指令来实现线程安全的操作。CAS是一种乐观锁技术，包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当且仅当V的值等于A时，才会用B更新V的值，否则什么都不做。整个操作是原子的，避免了线程上下文切换的开销，非常适用于计数器、累加器等场景，是实现非阻塞算法的基石。

并发容器：高性能的线程安全集合

JUC提供了一系列高性能的线程安全容器，替代了传统的通过`synchronized`包装的集合（如`Collections.synchronizedList`）。例如，`ConcurrentHashMap`使用分段锁或CAS+同步块（JDK8及以后）来实现更细粒度的锁，允许多个线程并发地进行读和一定程度的写操作。`CopyOnWriteArrayList`通过在写操作时复制整个底层数组来实现线程安全，适用于读远多于写的场景。这些容器在设计中充分考虑了并发性能，是构建高效并发程序的关键组件。

同步工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier与Semaphore

JUC还包含了多种同步辅助类，用于控制线程之间的协调活动。`CountDownLatch`是一个一次性使用的倒计时门闩，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。`CyclicBarrier`是可循环使用的屏障，让一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个状态后再继续执行。`Semaphore`则用于控制同时访问特定资源的线程数量，类似于通行证。这些工具极大地简化了复杂线程协作逻辑的编码。

实战演进：从synchronized到JUC的选择

在实战中，选择`synchronized`还是JUC取决于具体场景。对于简单的同步块、竞争不激烈的临界区，`synchronized`因其简洁性和JVM的持续优化（如锁升级）仍然是良好选择。而当需要更高的灵活性、更优的性能（如在高度竞争环境下）、更复杂的线程协调功能（如超时、条件等待）或特定的同步策略（如读写分离）时，就应优先考虑JUC中相应的组件。现代Java并发编程往往是两者的结合，开发者应根据需求选择最合适的工具，以期达到性能、复杂度与可维护性的最佳平衡。