Java - 多线程篇

7.1 线程基础

线程与进程

进程 = 资源分配的最小单位；线程 = CPU 调度的最小单位。

并行 vs 并发

创建线程的方式

1. 继承 Thread 类
2. 实现 Runnable 接口
3. 实现 Callable 接口
4. 线程池创建（项目中使用方式）

Runnable vs Callable：

线程六种状态

public enum State {
    NEW,              // 新建
    RUNNABLE,         // 可运行
    BLOCKED,          // 阻塞（等待锁）
    WAITING,          // 等待（无限期）
    TIMED_WAITING,    // 计时等待
    TERMINATED;       // 终止
}

sleep() vs wait()

7.2 synchronized 与锁升级

synchronized 基本概念

synchronized（对象锁）：采用互斥方式让同一时刻至多只有一个线程能持有对象锁。

底层原理 — Monitor

• synchronized 底层由 Monitor 实现（JVM 级别，C++ 实现）
• Monitor 内部三个属性：
  • owner：关联获得锁的线程（只能关联一个）
  • entrylist：关联阻塞状态的线程
  • waitset：关联 Waiting 状态的线程

⚠️ Monitor 实现的锁属于重量级锁，涉及用户态/内核态切换、上下文切换，成本高、性能低。

JDK 1.6 锁优化（偏向锁 / 轻量级锁）

三种锁对比：

7.3 JMM / CAS / volatile

JMM（Java 内存模型）

JMM 定义了共享内存中多线程程序读写操作的行为规范。

• 每个线程拥有独立的工作内存（CPU 缓存）
• 公共数据存储在主内存中
• 线程间通过主内存来同步数据

CAS（Compare And Swap）

CAS 体现乐观锁思想，在无锁情况下保证线程操作共享数据的原子性。

缺点：ABA 问题、自旋消耗 CPU、只能保证单一变量。

乐观锁 vs 悲观锁

volatile

被 volatile 修饰的共享变量具备两层语义：

1. 保证线程间的可见性
2. 禁止指令重排序

7.4 AQS / ReentrantLock

AQS（Abstract Queued Synchronizer）

AQS = 多线程中的队列同步器。构建锁和同步器的底层框架。

常见实现类：ReentrantLock（阻塞式锁）、Semaphore（信号量）、CountDownLatch（倒计时锁）。

公平锁 vs 非公平锁：

• 新线程和队列中线程共同抢占 → 非公平锁
• 新线程到队列中等待，只让 head 获取锁 → 公平锁

AQS 总结：

• 内部维护一个先进先出的双向队列，存储排队的线程
• 内部属性 state = 资源标识，默认 0（无锁），修改为 1 = 获取资源

ReentrantLock

synchronized vs Lock

synchronized 胜在简单安全，Lock 胜在灵活强大。

7.5 线程池

核心参数

public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize,              // 核心线程数（"正式员工"）
    int maximumPoolSize,           // 最大线程数（并发上限）
    long keepAliveTime,            // 非核心线程空闲存活时间
    TimeUnit unit,                 // 时间单位
    BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 工作队列
    ThreadFactory threadFactory,   // 线程工厂
    RejectedExecutionHandler handler // 拒绝策略
)

执行原理

提交任务
  → 核心线程是否已满？
    → 否：创建核心线程执行
    → 是：阻塞队列是否已满？
      → 否：放入队列等待
      → 是：最大线程是否已满？
        → 否：创建非核心线程执行
        → 是：执行拒绝策略

四种拒绝策略：

核心线程数设置

⚠️ Executors 创建的 FixedThreadPool、SingleThreadPool 队列无界 → OOM；CachedThreadPool 线程无界 → OOM。生产环境推荐直接 new ThreadPoolExecutor(...)。

7.6 ThreadLocal

ThreadLocal：让每个线程拥有该变量的一个独立拷贝，线程间互不影响。

底层结构：每个 Thread 内部维护一个 ThreadLocalMap，key 是 ThreadLocal 对象的弱引用，value 是线程私有的值。

⚠️ 内存泄漏风险：ThreadLocal 的 key 是弱引用，但 value 是强引用。线程不结束，value 无法被 GC。使用后务必调用 remove()。

7.7 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包中高效且线程安全的哈希表，通过细粒度锁 + CAS 在保证安全的同时大幅提升并发性能。

7.8 并发编程三大特性

解决方案：volatile（可见性 + 有序性）+ CAS（原子性）+ 锁机制（三者皆可）。