Java并发编程

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Java并发编程基础

并发和并行有什么区别

并发是指两个或多个任务在同一时间段内开始、执行和完成，但不意味着它们在物理上同时执行。
并行则是指两个或多个任务在同一时刻真正同时执行。

什么是线程和进程？有什么区别？

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位, 进程是一个独立的执行环境，拥有独立的内存空间、系统资源
线程是进程内的一个执行单元，是CPU调度的基本单位

线程的创建

创建线程：继承Thread，实现Runnable，实现Callable

Callable规定的方法是call()，而Runnable规定的方法是run()。Callable的任务执行后可返回值，可拿到一个Future对象。

注意 start 和 run

run方法根本就没有开辟新的执行路径,还是按照顺序执行的，直接调用run方法,相当于普通成员方法调用
start方法才是真正的去创建线程。但只有run方法当中的代码才会执行在子线程中,我们要把我们的代码写到run方法中,并且启动的时候一定是start方法

线程的生命周期

Thread.State是一个内部枚举类，定义了6个枚举常量，分别代表Java线程的6种状态：
New（新建），Runnable（可运行）, Blocked（阻塞），Waiting（等待），Timed Waiting（超时等待），Terminated（终止）

Runnable合并了操作系统层面的就绪（ready）和运行（running）状态

操作系统的线程状态：New（新建）， Ready（可运行/就绪），Running（运行），Blocked（阻塞），Dead（死亡）

线程通信方式

Object的等待/通知机制是基于对象监视器（Monitor）的一种线程间通信方式，主要通过wait(), notify(), 和 notifyAll()这三个方法来实现：

wait()方法使当前线程进入等待（WAITING）状态，并释放它所持有的对象的监视器锁
notify()方法随机唤醒在此对象监视器上等待的一个线程。
notifyAll()方法唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

Condition常用方法：
await(): 使当前线程等待 signal(): 唤醒在此Condition上等待的一个线程 signalAll(): 唤醒在此Condition上等待的所有线程。

线程死锁

什么是线程死锁？如何避免死锁？

线程死锁：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

例如：线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

如何预防死锁？破坏死锁的产生的必要条件即可：

破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？
避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

线程池种类和参数

线程池：预先创建一组线程，复用这些线程处理任务，减少线程创建和销毁的开销。

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    10, // 核心线程数
    20, // 最大线程数
    60, // 非核心线程闲置超时时间，单位为秒
    TimeUnit.SECONDS, // 时间单位
    new LinkedBlockingQueue<>(100), // 任务队列，容量100
    Executors.defaultThreadFactory(), // 使用默认线程工厂
    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); // 拒绝策略为抛出异常

如何合理地设置 Java 线程池的线程数？

一般设置为 CPU 核心数 + 1 或 CPU 核心数 * 2，具体取决于任务类型和系统负载。

Java 线程池有哪些拒绝策略？

AbortPolicy：抛出 RejectedExecutionException。
CallerRunsPolicy：由调用线程执行任务。
DiscardPolicy：丢弃任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务，再提交新任务。

Java 并发库中提供了哪些线程池实现？它们有什么区别？

FixedThreadPool：固定大小的线程池。
CachedThreadPool：可缓存的线程池，适合执行大量短小任务。
SingleThreadExecutor：单线程的线程池。
ScheduledThreadPool：支持定时和周期任务的线程池。

Java 线程池核心线程数在运行过程中能修改吗？如何修改？

可以通过 setCorePoolSize(int corePoolSize) 方法修改核心线程数。

Java 线程池中 shutdown 与 shutdownNow 的区别是什么？

shutdown()：停止接收新任务，等待已提交任务执行完毕。
shutdownNow()：尝试停止所有活动任务，并返回未执行的任务列表。

ForkJoinPool

ForkJoinPool是Fork/Join框架的核心执行器，它是一个特殊的线程池，用于管理和调度任务。它使用了工作窃取（Work-Stealing）算法，这意味着当一个线程完成其分配的任务并且没有更多任务可执行时，它会尝试“窃取”其他线程的任务，从而提高CPU利用率。具体使用方法参照：ForkJoinPool使用示例

synchronized

synchronized 的本质是通过监视器锁（Monitor）来实现对共享资源的访问控制。它可以通过两种形式使用：同步方法和同步代码块。

synchronized的底层实现与Java对象头的Mark Word紧密相关

synchronized锁的升级

偏向锁: 当一个线程第一次获取锁时，会将该线程标记为“偏向”状态，后续若该线程再获取该锁，几乎没有开销,。
轻量级锁: 当另一个线程尝试获取已经被偏向的锁时，锁会升级为轻量级锁，使用CAS 操作来减少锁竞争的开销。
重量级锁: 当 CAS 失败无法获取锁，锁会升级为重量级锁，线程会被挂起，直到锁被释放。

Locks.Lock

与synchronized的区别：Lock提供了更多的控制权，比如尝试获取锁、定时获取锁、可中断的锁等待等。Lock支持中断等待锁的线程，而synchronized不支持。使用Lock需要更仔细地管理锁的获取和释放。synchronized的有一个锁升级的过程，实测两者性能差异不大。

Lock接口

ReentrantLock 其实就是基于 AQS 实现的一个可重入锁，支持公平和非公平两种方式
内部实现依靠一个 state 变量和两个等待队列:同步队列和等待队列。
利用 CAS 修改 state 来争抢锁。
争抢不到则入同步队列等待，同步队列是一个双向链表。
条件 condition 不满足时候则入等待队列等待，是个单向链表。
是否是公平锁的区别在于: 线程获取锁时是加入到同步队列尾部还是直接利用 CAS 争抢锁。

ReentrantReadWriteLock

读写锁，分为读锁和写锁。允许多个读线程同时访问，但在写线程访问时会独占锁，即读写互斥，写写互斥，但读读不互斥，适合读多写少的场景。

StampedLock

一种更高级的锁，提供了乐观读锁、悲观读锁、写锁以及尝试转换锁状态的能力，使用“邮票”（stamp）来标识锁状态。

AQS及相关工具

底层使用到AQS的并发工具:

ReentrantLock：可重入独占锁。
ReentrantReadWriteLock：读写锁，支持更细粒度的并发控制。
FutureTask 和 Phaser 等其他高级同步组件。

Semaphore

控制同时访问特定资源的线程数。

CountDownLatch

允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

CyclicBarrier

让一组线程等待所有线程到达某个屏障后再一起执行。

高级并发工具及原理

CountDownLatch：倒计数锁，等待多个线程完成。
CyclicBarrier：循环屏障，等待多个线程到达一个屏障点。
Semaphore：信号量，控制同时访问特定资源的线程数量。

volatile

volatile是Java中的一个关键字，主要用于修饰变量。它有两个主要作用：

保证可见性：当一个变量被声明为volatile时，任何线程对它的修改都会立即写入主内存，而其它线程对这个变量的读取也会直接从主内存中读取最新的值。这确保了多线程环境下变量值的可见性。
禁止指令重排序：在JVM中，为了优化性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排序。volatile关键字能禁止某些类型的指令重排序，以保证有序性，尤其是对单个变量的读/写操作不会被重排序。

CompletableFuture

CompletableFuture是对Future的改进，对于真正的异步处理我们希望是可以通过传入回调函数，在Future结束时自动调用该回调函数，这样，我们就不用等待结果

get()方法在Future计算完成之前会一直处在阻塞状态下，阻塞的方式和异步编程的设计理念相违背。isDone()方法容易耗费cpu资源（cpu空转）

默认情况下，CompletableFuture 使用 ForkJoinPool.commonPool() 作为执行器，用户也可以指定自定义的线程池。
利用了 LockSupport.park/unpark 和 CAS 操作实现高效的线程同步，减少不必要的阻塞等待。

具体使用方式参照：CompletableFuture代码示例

CAS和原子类

CAS自旋（Compare-And-Swap）是一种在多线程环境下的非阻塞同步技术，主要用于实现轻量级的锁机制，比如自旋锁。

它的基本思想是在硬件层面提供一个原子操作，允许线程在没有获得锁时，不是立刻放弃CPU时间片进入等待状态（如挂起），而是自旋（Spin）一小段时间，反复尝试获取锁，直到成功或达到一定次数后再采取其他策略（如挂起）。.

这种机制特别适合于锁持有时间短且线程竞争不激烈的场景。

CAS & ABA

CAS操作

CAS操作包含三个参数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。具体流程如下：

比较：首先，它会比较内存位置V的值是否等于预期原值A。
交换：如果相等，就将内存位置V的值更新为新值B，并返回true，表示更新成功。
失败则重试：如果不相等，说明其他线程已经修改了内存位置V的值，此时不进行任何操作，返回false。然后，执行CAS的线程可以选择重新尝试整个操作，这就是所谓的“自旋”。