Java 高并发编程实战：同步工具、锁与线程池

Wed, 28 Mar 2018 14:00:00 +0800

Java 高并发编程实战：同步工具、锁与线程池

高并发程序的核心不是“让线程跑得多快”，而是让多个线程在共享可变状态下安全、可预期地协作。JDK 的 java.util.concurrent（JUC）包已经为我们提供了大量经过打磨的同步工具，善用它们比手写 wait/notify 要可靠得多。

一、高层次思想：并发编程在解决什么问题？

并发编程的本质是约束：当多个线程访问同一组可变资源时，通过某种机制保证以下三件事至少满足其一：

互斥：同一时刻只有一个线程能访问临界区。
可见性：一个线程修改的状态，其他线程能正确看到。
有序性：指令不会被编译器或 CPU 乱序到破坏程序语义。

graph TD
    A[共享可变状态] -->|互斥| B[锁 / 信号量]
    A -->|可见性| C[volatile / happens-before]
    A -->|有序性| D[内存屏障 / 同步原语]
    B --> E[正确的并发程序]
    C --> E
    D --> E

首选策略金字塔（从推荐到不推荐）：

graph LR
    A[不可变对象 & 线程封闭] --> B[JUC 并发集合 / 线程池]
    B --> C[高级同步工具 CountDownLatch Semaphore 等]
    C --> D[ReentrantLock & Condition]
    D --> E[synchronized]
    E --> F[手写 wait/notify]

避坑指南 #1：不到万不得已不要手写 wait/notify，极容易写出遗漏 notify、虚假唤醒、持锁休眠等问题。JUC 工具类已经帮你封装好了。

二、线程状态与原语对照

方法	调用者	是否释放锁	进入状态	唤醒条件
`Thread.sleep(ms)`	当前线程	否	`TIMED_WAITING`	时间到
`Thread.yield()`	当前线程	否	`RUNNABLE`（让出 CPU）	OS 调度
`t.join()` / `t.join(ms)`	当前线程等 t	否	`WAITING` / `TIMED_WAITING`	t 结束或超时
`obj.wait()`	当前线程	是	`WAITING`	`notify/notifyAll` 或超时
`obj.notify()`	当前线程	否	—	唤醒一个等待线程

stateDiagram-v2
    [*] --> 新建: new Thread()
    新建 --> 就绪: start()
    就绪 --> 运行: 调度
    运行 --> 就绪: yield / 时间片到
    运行 --> 阻塞: 等待锁
    阻塞 --> 就绪: 获得锁
    运行 --> 等待: wait / join / await
    等待 --> 就绪: notify / 超时 / 被等待线程结束
    运行 --> 超时等待: sleep / wait(timeout)
    超时等待 --> 就绪: 时间到
    运行 --> 终止: 执行完毕

避坑指南 #2：sleep 不释放锁，若在 synchronized 块内 sleep，其他线程会被长时间阻塞。需要“让出锁去等”时，用 wait/Condition.await。

三、多用 JUC 同步类，少用 wait/notify

3.1 Semaphore（信号量）

信号量维护一组“许可”，控制同时访问某资源的线程数量。

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 最多 3 个线程并发

try {
    semaphore.acquire();
    // 访问受限资源
} finally {
    semaphore.release();
}

graph LR
    A[线程1] -->|acquire| S[许可池 3]
    B[线程2] -->|acquire| S
    C[线程3] -->|acquire| S
    D[线程4] -->|acquire 阻塞| S
    S -->|release| S

避坑指南 #3：release() 一定要放在 finally 里，否则异常会导致许可泄漏，最终所有线程都拿不到许可。

3.2 CountDownLatch 与 CyclicBarrier

特性	CountDownLatch	CyclicBarrier
方向	一个线程等待其他线程	多个线程互相等待
可复用	否（一次性）	是（可 reset）
计数归零后	门闩打开，直接退出	所有线程同时继续

graph LR
    subgraph CountDownLatch
        M[主线程 await] -.->|计数=0| M2[继续执行]
        W1[工作线程1] -->|countDown| C[计数器]
        W2[工作线程2] -->|countDown| C
    end

    subgraph CyclicBarrier
        T1[线程A await] --> B[屏障]
        T2[线程B await] --> B
        T3[线程C await] --> B
        B -->|全部到达| Go[一起继续]
    end

避坑指南 #4：不要把 CountDownLatch 当循环栅栏用，计数到 0 后无法重置；需要循环同步用 CyclicBarrier。

3.3 Exchanger

Exchanger 让两个线程在某个同步点交换数据，适合生产者-消费者配对场景，但使用频率较低。

四、volatile：可见性与有序性，但不保证原子性

volatile 的三条语义：

可见性：写操作会刷入主内存，读操作会从主内存刷新。
有序性：禁止指令重排序（happens-before）。
不保证原子性：复合操作（如 i++）仍需要锁或原子类。

graph LR
    A[线程A 写 volatile flag=true] -->| happens-before | B[线程B 读 flag]
    B --> C[线程B 看到 flag 之前所有写入]

// 错误示例：volatile 不能保证 i++ 原子
private volatile int count = 0;
public void increment() {
    count++; // 读-改-写，非原子
}

// 正确做法
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
    count.incrementAndGet();
}

避坑指南 #5：只有在单次写、多次读、且不依赖前值的场景下才用 volatile（如状态标志 volatile boolean running = true）。

五、死锁：原因与破解

5.1 典型死锁

graph LR
    T1[线程1] -->|持有 A 锁| B[等待 B 锁]
    T2[线程2] -->|持有 B 锁| A[等待 A 锁]
    B --> T2
    A --> T1

// 错误：锁顺序不一致
devoid transfer(Account a, Account b, int amount) {
    synchronized(a) {
        synchronized(b) { ... }
    }
}

5.2 常见诱因

不一致的加锁顺序：两个线程以不同顺序获取多把锁。
在同步块内调用外部同步方法：引入了不可控的锁依赖。
持锁等待 I/O / 网络 / 用户输入：放大了死锁窗口。

5.3 破解方案

全局统一锁顺序：先按对象哈希值排序再加锁。
使用 tryLock 超时获取锁，失败则回退并重试。
减少锁粒度，避免在同步块内调用外部方法（Open Call）。

// 使用 ReentrantLock 的 tryLock 避免死锁
if (lockA.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        if (lockB.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
            try {
                // 执行业务
            } finally { lockB.unlock(); }
        }
    } finally { lockA.unlock(); }
}

避坑指南 #6：死锁往往不是锁本身的问题，而是锁的顺序和依赖关系的问题。设计阶段先画锁依赖图，能发现大部分隐患。

六、公平锁 vs 非公平锁

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);   // 公平
ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(false); // 非公平（默认）

graph LR
    subgraph 公平锁
        Q[等待队列 T1→T2→T3] -->|按顺序| L[锁]
    end
    subgraph 非公平锁
        N[新线程] -->|插队尝试| L2[锁]
        Q2[队列 T1→T2] -.->|可能继续等待| L2
    end

公平锁：按请求顺序分配锁，减少饥饿，但上下文切换多、吞吐低。
非公平锁：允许“插队”，若锁恰好可用，新线程可直接获取，减少唤醒延迟；但老线程可能长时间等待。

避坑指南 #7：默认选非公平锁即可，性能更好。除非业务明确要求严格的调度公平性（如资源分配器），否则不必打开公平模式。

七、Condition：比 wait/notify 更精确的线程协作

一个 ReentrantLock 可以创建多个 Condition，分别管理不同的等待队列。

graph TD
    L[ReentrantLock] --> C1[Condition A 队列]
    L --> C2[Condition B 队列]
    L --> C3[Condition C 队列]
    C1 -->|signal| W1[唤醒指定线程]

public class PrintABC {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition a = lock.newCondition();
    private final Condition b = lock.newCondition();
    private final Condition c = lock.newCondition();
    private volatile int index = 0;

    private void print(String name, int expect, Condition wait, Condition next) {
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                while (index != expect) {
                    wait.await();
                }
                System.out.print(name);
                index = (expect + 1) % 3;
                next.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrintABC p = new PrintABC();
        p.print("A", 0, p.a, p.b);
        p.print("B", 1, p.b, p.c);
        p.print("C", 2, p.c, p.a);
    }
}

避坑指南 #8：Condition.await/signal 与 wait/notify 一样，必须在持有锁的线程中调用，且 await 要用 while 循环而不是 if，防止虚假唤醒。

八、线程池：不要裸开线程

8.1 常见工厂方法

方法	特点	隐患
`newSingleThreadExecutor`	单线程，按提交顺序执行	无界队列，任务堆积会 OOM
`newFixedThreadPool(n)`	固定线程数	同样使用无界队列
`newCachedThreadPool`	线程可复用、可无限创建	高并发下线程数爆炸
`newScheduledThreadPool`	支持定时/周期任务	注意任务异常终止

8.2 ThreadPoolExecutor 核心参数

graph LR
    T[提交任务] -->|核心线程数未满| C[创建核心线程]
    T -->|队列未满| Q[进入阻塞队列]
    T -->|队列满且线程数<max| M[创建非核心线程]
    T -->|队列满且线程数=max| R[拒绝策略]
    C --> E[执行]
    Q --> E
    M --> E

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    4,                      // 核心线程数
    8,                      // 最大线程数
    60L, TimeUnit.SECONDS,  // 非核心线程空闲存活时间
    new ArrayBlockingQueue<>(100), // 有界队列
    new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("biz-pool-%d").build(),
    new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() // 拒绝策略
);

避坑指南 #9：

生产环境尽量直接创建 ThreadPoolExecutor，不要用 Executors 的便捷工厂（无界队列/无限线程是 OOM 元凶）。

任务抛异常会导致线程被回收重建，建议任务内部 try/catch 并记录。

应用关闭前调用 shutdown() 或 shutdownNow()，否则 JVM 可能不会退出。

九、阻塞队列

队列	有界性	实现	特点
`ArrayBlockingQueue`	有界	数组 + ReentrantLock	高吞吐、需要指定容量
`LinkedBlockingQueue`	可选有界	链表 + 两把锁（take/put）	默认无界，小心 OOM
`PriorityBlockingQueue`	无界	堆	按优先级出队
`DelayQueue`	无界	堆	元素到延迟时间才能出队
`SynchronousQueue`	零容量	无缓冲区	一手交钱一手交货
`LinkedTransferQueue`	无界	无锁 CAS	支持 transfer 直接传递
`LinkedBlockingDeque`	无界	双向链表	支持两端操作

graph LR
    P[生产者 put] --> Q[阻塞队列]
    Q --> C[消费者 take]
    P -.->|队列满| W1[阻塞]
    C -.->|队列空| W2[阻塞]

避坑指南 #10：无界阻塞队列在生产者快、消费者慢时会把内存撑爆。优先使用 ArrayBlockingQueue 或指定容量的 LinkedBlockingQueue。

十、自旋锁、ReentrantLock 与 synchronized

10.1 自旋锁

public class SpinLock {
    private final AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();

    public void lock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        while (!owner.compareAndSet(null, t)) {
            // 自旋等待，不进入内核态
        }
    }

    public void unlock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        owner.compareAndSet(t, null);
    }
}

graph LR
    A[互斥锁 sleep] -->|上下文切换| B[内核阻塞]
    C[自旋锁 CAS] -->|用户态循环| D[CPU 忙等]

优点：没有线程上下文切换开销。
缺点：持锁时间长会浪费 CPU；同一线程不可重入，递归调用会死锁。

10.2 ReentrantLock 与 synchronized 对比

能力	synchronized	ReentrantLock
可重入	是	是
可中断	否	`lockInterruptibly()`
超时获取	否	`tryLock(timeout)`
公平锁	否	可选
多条件队列	一个 wait set	多个 Condition
性能	JDK6+ 优化后接近	接近

避坑指南 #11：ReentrantLock 必须显式 unlock()，否则即使异常也会死锁；务必放在 finally 中。synchronized 则由 JVM 保证自动释放。

10.3 偏向锁

偏向锁是 JVM 对无竞争同步的优化：第一次获取锁时把线程 ID 记录到对象头，之后同一线程再进入无需 CAS。

注意：JDK 15 开始偏向锁默认禁用（-XX:+UseBiasedLocking 已废弃），因为现代应用中锁竞争更频繁，撤销偏向锁的开销反而可能大于收益。

十一、线程安全的 Singleton

11.1 饿汉式（类加载时初始化）

public class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() { return INSTANCE; }
}

借助类加载机制保证线程安全，简单可靠；若实例创建开销大且未必使用，则浪费资源。

11.2 静态内部类（推荐）

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static class Holder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

graph LR
    A[调用 getInstance] -->|首次触发| B[加载 Holder 类]
    B --> C[初始化 INSTANCE]
    C --> D[返回唯一实例]

延迟加载 + 类加载保证线程安全，是大多数场景下的最佳实践。

11.3 双重检查锁（DCL）+ volatile

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static volatile Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 禁止指令重排
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

避坑指南 #12：DCL 必须加 volatile，否则 new Singleton() 的指令重排会导致其他线程读到未构造完成的对象。

十二、synchronized 的底层行为

synchronized 可以修饰方法或代码块，锁对象分别是：

实例方法：当前实例 this。
静态方法：类的 Class 对象。
代码块：括号里指定的对象。

graph TD
    O[对象头 Mark Word] -->|无锁| A[无锁状态]
    A -->|第一个线程获取| B[偏向锁]
    B -->|出现竞争| C[轻量级锁 CAS]
    C -->|竞争加剧| D[重量级锁 操作系统 Mutex]

避坑指南 #13：不要把 synchronized 当成“只要包住就安全”的万金油。锁的对象要选对，锁的粒度要尽量小，避免锁住整个方法或无关代码。

十三、避坑速查表

不要这样做	推荐做法
手写 `wait/notify` 做复杂协调	用 `CountDownLatch`、`CyclicBarrier`、`Semaphore`
用 `volatile` 做 `i++`	用 `AtomicInteger` 或 `LongAdder`
裸 `new Thread()`	用 `ThreadPoolExecutor`
`Executors.newFixedThreadPool` 无脑用	自定义有界队列 + 拒绝策略
在锁里调外部同步方法 / 阻塞 I/O	缩小锁范围，使用 Open Call
不一致的加锁顺序	全局排序或使用 `tryLock`
DCL 不加 `volatile`	必须加 `volatile`，或改用静态内部类
自旋锁里递归加锁	使用可重入锁 `ReentrantLock`
忽略 `InterruptedException`	恢复中断标志 `Thread.currentThread().interrupt()`
线程池任务吞掉异常	任务内部 `try/catch` 或使用 `Future.get()`

十四、总结

Java 高并发编程的演进路径，其实是从“手动管理线程和锁”走向“使用高层抽象”。牢记下面三句话：

能不变就不变：优先使用不可变对象、线程封闭和 JUC 并发集合。
能用高层就不用底层：用 Semaphore、CountDownLatch、Executor 替代 wait/notify。
锁是最后手段：如果必须用锁，确保加锁顺序一致、粒度最小、持有时间最短。

把这三点落地到代码里，配合上面的图例和示例，就能避开大多数并发陷阱。

参考与延伸阅读

《Java 并发编程实战》（Java Concurrency in Practice）
《Java 并发编程的艺术》
JDK 文档：java.util.concurrent

多线程 on 方糖猫Blog

Java 高并发编程实战：同步工具、锁与线程池

Java 高并发编程实战：同步工具、锁与线程池

一、高层次思想：并发编程在解决什么问题？

二、线程状态与原语对照

三、多用 JUC 同步类，少用 wait/notify

3.1 Semaphore（信号量）

3.2 CountDownLatch 与 CyclicBarrier

3.3 Exchanger

四、volatile：可见性与有序性，但不保证原子性

五、死锁：原因与破解

5.1 典型死锁

5.2 常见诱因

5.3 破解方案

六、公平锁 vs 非公平锁

七、Condition：比 wait/notify 更精确的线程协作

八、线程池：不要裸开线程

8.1 常见工厂方法

8.2 ThreadPoolExecutor 核心参数

九、阻塞队列

十、自旋锁、ReentrantLock 与 synchronized

10.1 自旋锁

10.2 ReentrantLock 与 synchronized 对比

10.3 偏向锁

十一、线程安全的 Singleton

11.1 饿汉式（类加载时初始化）

11.2 静态内部类（推荐）

11.3 双重检查锁（DCL）+ volatile

十二、synchronized 的底层行为

十三、避坑速查表

十四、总结