开始改变第三天 Java并发（1）

深入Java并发世界：从核心概念到实战精粹 | 技术笔记

引言：为何并发如此重要？

在多核处理器成为主流的今天，能否充分利用硬件资源，构建高效、可靠的高并发应用，已成为衡量一名后端开发者功底的关键。然而，并发编程并非坦途，它充满了线程安全、死锁、内存可见性、原子性等诸多挑战。理解其内在机理，是驯服这头“猛兽”的不二法门。

本文将围绕五大核心知识点，带你由表及里，构建坚实的Java并发知识体系。

第一部分：并发基石 —— 线程基础与核心概念

核心思想： 万物皆有源，理解并发必须先理解线程本身。

• 线程的创建与生命周期：

  • 继承 Thread 类 vs. 实现 Runnable / Callable 接口。后者更佳，因为实现了接口分离，便于任务共享。
  • 线程状态：NEW（新建）、RUNNABLE（可运行）、BLOCKED（阻塞）、WAITING（等待）、TIMED_WAITING（超时等待）、TERMINATED（终止）。深刻理解状态转换是诊断多线程问题的基础。

• 关键概念：

  • 线程安全： 当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那就称这个对象是线程安全的。
  • 竞态条件： 计算的正确性取决于多个线程的交替执行时序。
  • 共享与同步： 堆内存、方法区内存是线程共享的，而栈内存和程序计数器是线程私有的。为了解决共享带来的问题，引入了 synchronized 等同步机制。

学习心得： 这一部分是所有并发知识的“地基”，务必清晰地理解每个状态的意义和转换条件，这是后续分析复杂锁问题（如死锁）的前提。

第二部分：内存模型的灵魂 —— 深入理解MESI与volatile

核心思想： 解决可见性与有序性问题，必须深入到CPU缓存和内存屏障的层面。

• JMM（Java内存模型）： JMM是一个抽象规范，它规定了线程如何以及何时可以看到其他线程修改过的共享变量，以及在必要时如何同步地访问共享变量。它定义了主内存和工作内存之间的关系。

• MESI协议： 这是理解 volatile 和 synchronized 底层实现的钥匙。

  • 它是一种CPU缓存一致性协议。CPU缓存行有四种状态：
    • M（Modified，修改）： 缓存行是脏的，与主内存值不同。
    • E（Exclusive，独占）： 缓存行是干净的，与主内存一致，且只有本核心有副本。
    • S（Shared，共享）： 缓存行是干净的，与主内存一致，但多个核心可能有副本。
    • I（Invalid，无效）： 缓存行数据无效，不能使用。
  • 通过这套状态机协议，CPU在读写数据时，通过总线消息来协调，保证了多个核心缓存数据的一致性。

• volatile关键字：

  • 语义1：保证可见性。 对一个volatile变量的写，会立刻刷新回主内存，并导致其他CPU中对应的缓存行失效，迫使其他线程在读取时必须从主内存重新加载。
  • 语义2：禁止指令重排序。 通过插入内存屏障 来实现。
  • 底层实现： 正是JVM在编译时在volatile读写操作前后加入特定内存屏障，这些屏障会触发CPU的MESI协议或类似机制，从而实现了上述两大语义。

学习心得： 以前只知道volatile能保证可见性，但不知其所以然。理解了MESI和内存屏障后，才真正明白它的魔力来源。它不保证原子性，所以不适合 i++ 这样的场景。

第三部分：锁的艺术 —— 精通ReentrantLock

核心思想： synchronized 是“自动挡”，而 ReentrantLock 是“手动挡”，提供了更灵活、更强大的锁控制。

• 与synchronized对比：

  • 可中断： lockInterruptibly() 可以响应中断，避免死锁。
  • 尝试非阻塞： tryLock() 可以立即返回，避免长时间等待。
  • 公平性： 可以创建公平锁（按申请顺序获取锁），虽然通常性能较低。
  • 绑定多个条件： 一个 ReentrantLock 可以绑定多个 Condition 对象，实现更精细的线程等待/唤醒。

• AQS（AbstractQueuedSynchronizer）：

  • 这是 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore 等同步器的核心框架。
  • 其内部维护了一个 volatile int state（代表资源状态）和一个 FIFO线程等待队列（CLH队列的变体）。
  • 核心方法是 acquire() 和 release()。子类通过重写 tryAcquire 和 tryRelease 方法来定义具体的资源获取和释放逻辑。

学习心得： 学习 ReentrantLock 绝不能止步于API调用，必须深入到AQS层面。理解了AQS，就等于拿到了Java并发工具包的“万能钥匙”。

第四部分：线程隔离的魔法 —— ThreadLocal原理与陷阱

核心思想： 用空间换时间，为每个线程创建变量的副本，避免共享，从而实现线程安全。

• 核心原理：

  • 每个 Thread 对象内部都有一个 ThreadLocalMap 类型的 threadLocals 变量。
  • ThreadLocalMap 的 Key是ThreadLocal对象本身（弱引用），Value是存储的变量副本。
  • get()/set() 方法操作的是当前线程的 ThreadLocalMap，因此天然线程隔离。

• 经典场景：

  • 用户会话信息（如User对象）传递，避免在方法间层层传递参数。
  • 数据库连接、事务管理（如Spring的 @Transactional）。
  • 日期格式化类 SimpleDateFormat 的线程安全包装。

• 内存泄漏陷阱：

  • 根源： Key是弱引用，会在GC时被回收，但Value是强引用。如果线程长时间运行（如线程池中的线程）且不再使用该 ThreadLocal，就会导致Value无法被访问，却也无法被回收，造成内存泄漏。
  • 解决方案： 在使用完毕后，必须调用 threadLocal.remove() 方法，手动清除Entry。

学习心得： ThreadLocal 是解决特定场景并发问题的利器，但“能力越大，责任越大”，务必记得及时清理，养成良好的编程习惯。

第五部分：容器的并发之道 —— HashMap与ConcurrentHashMap

核心思想： 不同的并发场景下，需要选择不同并发级别的容器。

• HashMap的并发死穴：

  • 在JDK7中，多线程并发扩容可能导致环形链表，引起CPU 100%。
  • 在JDK8中，虽然解决了死循环问题，但仍有数据覆盖、丢失等线程安全问题。结论：HashMap在任何情况下都不适用于多线程环境。

• ConcurrentHashMap（JDK8+）的精妙设计：

  • 抛弃分段锁（JDK7）： 采用 Node数组 + 链表 + 红黑树 结构，锁的粒度更细，直接锁住数组的每个桶（桶的头节点）。
  • 并发控制：
    • CAS + synchronized： 初始化、插入头节点使用CAS无锁编程。对桶的头节点使用 synchronized 加锁，锁粒度小，性能极高。
    • sizeCtl等控制变量： 配合volatile读写和CAS，实现高效的并发扩容和大小统计。
  • 扩容： 支持多线程协助扩容，提升效率。

学习心得： 从 Hashtable（全表锁）到 ConcurrentHashMap（分段锁）再到 ConcurrentHashMap（桶级别锁），这演进历程本身就是一部锁优化教科书。理解CHM，就能深刻体会如何在高性能和高并发之间找到平衡。

总结与展望

并发编程的学习是一个螺旋式上升的过程。从宏观的线程概念出发，深入到CPU级别的缓存一致性（MESI），再上到Java语言层面的锁和同步工具（AQS），接着是线程隔离的ThreadLocal，最后将这些知识融会贯通，理解顶级并发容器ConcurrentHashMap的设计哲学。

这条路径，不仅是知识的积累，更是思维方式的锤炼——从“会用”到“懂原理”，再到“能优化”。希望这篇笔记能为你照亮前行的道路，共勉！

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