并发编程核心知识点速览

整体逻辑：并发基础机制 → 锁核心原理 → 显式锁与AQS → 线程管理 → 线程池 → 并发工具类 → 线程通信与隔离 → 并发故障与排查 → 拓展点

一、并发基础机制

1.1 Volatile 关键字

核心作用：轻量级无锁并发机制，开销极低，仅保障可见性、有序性，不保证原子性。

三大核心特性

• 保证可见性：线程修改volatile变量后，强制刷新至主内存，同时失效其他线程的本地缓存，保证多线程数据实时同步。

• 禁止指令重排序：限制编译器、CPU的指令优化重排，保证代码执行顺序与编码顺序一致。

• 不保证原子性：仅支持单次读写原子，无法保障i++等「读取-修改-写入」复合操作的原子性。

底层原理：内存屏障

• 写屏障：volatile写入后触发，强制数据落主内存，禁止前置指令重排至后置

• 读屏障：volatile读取前触发，强制清空本地缓存，禁止后置指令重排至前置

1.2 DCL 双重检查锁 + Volatile

问题根源：对象创建原生三步：分配内存 → 初始化对象 → 引用赋值。CPU指令重排可能打乱为：分配内存 → 引用赋值 → 初始化对象。

多线程场景下会产生半初始化对象，外部线程获取未完成初始化的实例，引发隐性线程安全BUG。

volatile核心作用：禁止对象创建指令重排序，严格保证对象初始化完成后再赋值引用，彻底解决DCL线程安全问题。

面试总结：DCL不加volatile不会直接报错，但存在隐性并发漏洞，是单例模式必备修饰符。

1.3 CAS、ABA问题与Atomic原子类

CAS（比较并交换）：CPU硬件级乐观无锁机制，核心参数：内存值V、预期值A、新值B。内存值与预期值一致则更新数据，不一致则自旋重试。

优缺点：用户态执行、无线程阻塞、开销小；但自旋消耗CPU、仅支持单变量原子操作，存在ABA问题。

ABA问题：线程读取变量值为A，其他线程完成A→B→A的修改还原，CAS无法识别中间改动，判定数据无变更，导致数据异常。

解决方案：新增版本号/时间戳校验，使用 AtomicStampedReference。

Atomic原子类：基于CAS+自旋封装，保障单个变量原子操作。高并发激烈竞争场景自旋损耗CPU，优先使用锁替代。

二、锁核心原理

2.1 Synchronized 锁升级机制

JDK1.6 优化后，synchronized 锁单向升级、不可降级，完整流程：偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

• 偏向锁（无竞争）：默认开启，对象头绑定固定线程ID，单线程重复加锁无需额外操作，零开销，适配单线程高频加锁场景。

• 轻量级锁（交替竞争）：多线程交替抢锁、无并发冲突，基于CAS自旋抢锁，用户态运行，无线程阻塞，开销较小。

• 重量级锁（高并发竞争）：CAS自旋失败，线程进入内核阻塞队列，线程挂起等待，系统开销最大。

配套优化机制

• 锁撤销：偏向锁长期无竞争，JVM自动撤销偏向标记，恢复无锁状态，回收资源。

• 批量重偏向：同类对象频繁切换锁持有者，达阈值20，批量修改对象偏向线程，避免逐个撤销的性能损耗。

• 批量撤销：锁竞争极度频繁，达阈值40，直接关闭当前类所有对象的偏向锁，默认走轻量级锁。

核心关键点：偏向锁绑定线程ID，不关注锁是否释放；其他线程抢锁即触发升级，且锁升级后无法回退为偏向锁。

2.2 自适应自旋锁

适配于synchronized轻量级锁、AQS底层，自旋次数不固定，由JVM动态适配：

• 过往自旋抢锁成功，判定竞争小，自动增加自旋次数

• 过往自旋频繁失败，判定竞争激烈，终止自旋，直接升级重量级锁

作用：平衡CPU自旋开销与锁竞争成本，适配不同并发场景，优化轻竞争性能。

2.3 锁降级

synchronized 仅支持锁升级，无锁降级能力；仅 ReentrantReadWriteLock 读写锁 支持锁降级。

降级流程：持有写锁 → 获取读锁 → 释放写锁（写锁降级为读锁）

核心价值：保障数据可见性，避免读写竞争，提升并发吞吐量。

三、AQS 与显式锁

3.1 AQS 核心原理

AQS是Java所有显式锁的底层基石，核心三要素：state状态值 + 双向FIFO阻塞队列 + park/unpark阻塞唤醒

• state：原子整型变量，CAS修改，不同组件含义不同：ReentrantLock为重入次数、CountDownLatch为计数器、Semaphore为剩余资源数

• 双向阻塞队列：抢锁失败的线程封装为Node入队，避免无限自旋消耗CPU

• 虚拟头节点：空哨兵节点，不绑定线程；让队列永久非空，消除大量判空逻辑，统一线程入队、唤醒规则

• park/unpark：调用操作系统内核，实现线程挂起唤醒，存在用户态、内核态切换开销

执行流程：线程CAS抢锁成功则执行业务；失败则入队park阻塞；锁释放后unpark唤醒后继线程。

锁类型：独占锁（ReentrantLock，单次唤醒单线程）、共享锁（CountDownLatch/Semaphore，批量唤醒线程）

3.2 ReentrantLock 可重入锁

基于AQS实现，特性全面、可控性强，核心能力：可重入、公平/非公平、可中断、可超时、多条件队列。

• 可重入：同一线程可重复加锁，state计数累加，必须清零才算完全释放锁

• 非公平锁（默认）：新线程直接CAS抢锁，吞吐量高，可能出现线程饥饿

• 公平锁：严格遵循队列FIFO，杜绝线程饥饿，吞吐量偏低

ReentrantLock vs synchronized

• synchronized：JVM原生、自动解锁、使用简单、仅非公平、可控性差

• ReentrantLock：代码层实现、手动unlock、功能丰富、适配复杂并发场景

• JDK1.6后两者性能基本持平

四、线程核心管理

4.1 线程五大状态与流转

NEW：线程新建，未调用start()，未启动

RUNNABLE：包含就绪、运行状态，争抢CPU执行权

BLOCKED：阻塞等待，争抢synchronized排他锁失败

WAITING：无限阻塞（wait、join、park），需手动唤醒

TIMED_WAITING：限时阻塞（sleep、超时wait），超时自动唤醒

TERMINATED：线程任务执行完毕，彻底终止

4.2 Sleep / Wait / Join 区别

• sleep：Thread静态方法，不释放锁，超时自动唤醒，仅用于线程休眠

• wait：Object成员方法，立即释放锁，需notify唤醒，用于多线程通信

• join：Thread成员方法，底层依赖wait，释放锁，等待目标线程执行完毕

极简口诀：sleep抱锁睡，wait放锁等，join等线程结束。

4.3 线程中断机制

Java废弃stop()暴力终止线程，通过中断标记位实现优雅停机。

• interrupt()：仅修改中断标记，不直接终止线程

• isInterrupted()：查询中断标记，不清除标记

• Thread.interrupted()：查询中断标记，自动清除标记

核心规则：阻塞态线程触发中断会抛异常并清空标记；运行态线程仅标记中断，需开发者手动处理终止逻辑。

4.4 守护线程

Java线程分为两类：

• 用户线程：业务主线程，JVM需等待所有用户线程结束才会退出

• 守护线程：后台依附线程（如GC线程），所有用户线程结束后，守护线程随JVM直接退出

使用规则：start()之前调用setDaemon(true)设置；适用于日志监控、心跳巡检等后台任务。

4.5 Thread.sleep(0) 作用

不休眠线程，核心作用是触发CPU时间片重分配，主动让出剩余CPU时间片，让操作系统重新调度线程，平衡并发调度公平性，避免单线程霸占CPU。

五、线程池核心体系

5.1 七大参数

核心线程数、最大线程数、空闲超时时间、时间单位、阻塞队列、线程工厂、拒绝策略

5.2 执行流程

核心线程未满 → 创建核心线程执行任务 → 核心线程已满，任务入队 → 队列已满，创建非核心线程 → 线程数达上限+队列满，触发拒绝策略

5.3 四种拒绝策略

• AbortPolicy（默认）：直接抛出异常

• CallerRunsPolicy：调用者线程自行执行任务，实现限流

• DiscardPolicy：静默丢弃新任务，无报错

• DiscardOldestPolicy：丢弃队列最旧未执行任务，执行新任务

5.4 Executors 工具类弊端

阿里规范禁止使用Executors创建线程池：Fixed/Single线程池无界队列导致任务堆积OOM；Cached线程池无最大线程限制，引发线程爆炸、CPU打满。生产环境必须手动配置七大参数。

5.5 CPU/IO密集型参数配置

• CPU密集型：多计算、少阻塞，线程数=CPU核心数+1，少线程、大队列，减少上下文切换

• IO密集型：多阻塞、少计算，线程数=CPU核心数*2，适度多开线程，禁止无界队列

六、并发工具与异步编排

6.1 三大并发工具类

• CountDownLatch 倒计时门闩：一次性不可重置，多子线程执行完毕，主线程汇总放行

• CyclicBarrier 循环栅栏：可循环复用，多线程凑数同步，统一批量执行

• Semaphore 信号量：限制并发线程数量，用于接口限流、资源抢占控制

6.2 CompletableFuture 异步编排

JDK8+ 异步编程工具，修复Future阻塞轮询弊端，支持链式调用、任务自由编排。

• 基础创建：runAsync（无返回）、supplyAsync（有返回）

• 串行执行：thenApply、thenAccept、thenRun

• 结果合并：thenCombine（双任务合并）

• 批量编排：allOf（全部执行）、anyOf（任意一个执行）

业务场景：多接口并行调用、接口聚合查询、异步解耦，优化接口响应速度。

七、线程隔离与内存泄漏

7.1 ThreadLocal

核心作用：实现线程私有变量，完成多线程数据隔离，解决共享变量并发冲突。

底层结构：线程内置ThreadLocalMap，key为ThreadLocal（弱引用），value为业务数据（强引用）。

7.2 内存泄漏问题

泄漏原因：线程池线程常驻不销毁，ThreadLocal外部引用失效后，弱引用key被GC回收（key=null），但强引用value无法回收，长期堆积造成内存泄漏。

解决方案：使用完毕必须手动调用remove()，线程池复用线程场景必不可少。

弱引用意义：尽可能回收ThreadLocal对象，降低内存泄漏程度，无法彻底根治。

八、并发故障、排查与优化

8.1 死锁

四大必要条件（缺一不可）：互斥、请求保持、不可剥夺、循环等待

典型场景：双线程嵌套获取两把不同锁，互相持有对方所需锁，形成循环等待。

排查方式：jps查询进程ID → jstack 进程ID，检索deadlock关键字定位死锁代码。

规避方案：统一锁获取顺序、使用tryLock超时抢锁、减少锁嵌套、缩小锁范围。

8.2 伪共享

原理：CPU以64字节CacheLine缓存行缓存数据，多个独立共享变量共存同一缓存行，单个变量修改会导致整行缓存失效，引发CPU缓存颠簸、并发性能下降。

解决方案：缓存行填充，使用JDK8 @Contended 注解解决。

常见场景：并发计数器、AtomicLong、高频读写共享变量。