Java并发编程

• 305 字 • 阅读约 2 分钟 • 最近更新: July 7, 2025

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：

  1. 破坏请求与保持条件 ：一次性申请所有的资源。
  2. 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。
  3. 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。

java 
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。

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

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。

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。

  • AtomicInteger：原子整数。
  • AtomicLong：原子长整数。
  • AtomicBoolean：原子布尔值。
  • AtomicReference：原子引用。

你使用过 Java 的累加器吗？

  • 累加器：如 LongAdder 和 DoubleAdder，用于高并发环境下的累加操作。

ThreadLocal

为什么在 Java 中需要使用 ThreadLocal？

  • ThreadLocal：用于在每个线程中存储独立的副本，避免线程间的数据共享问题。

Java 中的 ThreadLocal 是如何实现线程资源隔离的？

  • ThreadLocal：每个线程都有一个独立的 ThreadLocalMap，存储线程局部变量。

为什么 Java 中的 ThreadLocal 对 key 的引用为弱引用？

  • 弱引用：防止内存泄漏，当线程结束时，ThreadLocalMap 中的条目可以被垃圾回收。

Java 中使用 ThreadLocal 的最佳实践是什么？

  • 及时清理：使用 remove 方法及时清理不再使用的 ThreadLocal 变量。
  • 避免滥用：不要过度使用 ThreadLocal，以免增加内存开销。

Java 中的 InheritableThreadLocal 是什么？

  • InheritableThreadLocal：子线程可以继承父线程的 ThreadLocal 变量值。

ThreadLocal 的缺点？

  • 内存泄漏：如果不及时清理，可能导致内存泄漏。
  • 滥用问题：过度使用可能导致代码难以理解和维护。

为什么 Netty 不使用 ThreadLocal 而是自定义了一个 FastThreadLocal ？

  • 性能优化：FastThreadLocal 通过减少内存开销和提高访问速度来优化性能。

什么是 Java 的 TransmittableThreadLocal？

  • TransmittableThreadLocal：扩展了 ThreadLocal，支持在线程间传递线程局部变量，常用于异步调用场景。