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在Java生态中，并发编程是构建高可用、高性能系统的关键技能。无论是电商平台的秒杀系统、分布式任务调度，还是金融交易的高并发处理，都离不开对线程、锁、原子操作及AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的深入理解。基于“博学谷Java并发编程原理精讲”课程的核心内容，系统梳理Java并发编程的底层原理与关键机制，帮助读者建立完整的知识框架，避开常见陷阱。

一、线程：并发编程的基石

1. 线程的本质与创建方式

线程与进程的区别：进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位；线程共享进程内存空间（如堆、方法区），进程间通信需通过IPC（进程间通信），线程间可直接访问共享变量（需同步机制）。

Java线程的创建：继承Thread类或实现Runnable接口（推荐，避免单继承限制）；通过ExecutorService线程池管理线程（如FixedThreadPool、CachedThreadPool），避免频繁创建销毁的开销。

2. 线程的生命周期与状态转换

六种状态：NEW：线程创建但未启动；RUNNABLE：可运行状态（包括就绪和运行中）；BLOCKED：等待获取锁（如进入同步块）；WAITING：无限期等待（如调用Object.wait()）；TIMED_WAITING：限时等待（如Thread.sleep()）；TERMINATED：线程执行完毕。

状态转换触发条件：start()方法调用使线程从NEW转为RUNNABLE；锁竞争失败时进入BLOCKED；调用wait()/join()进入WAITING或TIMED_WAITING。

3. 线程通信与协作

共享变量问题：多线程读写共享变量可能导致数据不一致（如计数器累加错误）；解决方案：同步机制（锁、原子类）或线程封闭（ThreadLocal）。

协作机制：wait()/notify()：基于对象监视器（Monitor）的等待-通知机制；Condition接口：更灵活的线程等待与唤醒（如ReentrantLock.newCondition()）；CountDownLatch/CyclicBarrier：同步工具类，协调多个线程的执行顺序。

二、锁：同步的核心武器

1. 锁的分类与适用场景

悲观锁与乐观锁：悲观锁：认为冲突必然发生，每次操作都加锁（如synchronized、ReentrantLock）；乐观锁：认为冲突较少发生，通过版本号或CAS（Compare-And-Swap）实现（如AtomicInteger）。

公平锁与非公平锁：公平锁：按请求顺序分配锁（避免线程饥饿）；非公平锁：允许插队（提高吞吐量，但可能加剧饥饿）。

可重入锁与不可重入锁：可重入锁：同一线程可多次获取锁（如ReentrantLock、synchronized）；不可重入锁：获取锁后需释放才能再次获取（较少使用）。

2. synchronized与ReentrantLock的对比

特性

synchronized

ReentrantLock

实现方式

JVM内置关键字，依赖Monitor对象

JDK实现，基于AQS框架

锁类型

默认非公平锁，可改为公平锁（JVM参数）

支持公平/非公平锁

可中断性

不可中断（等待锁的线程无法响应中断）

支持lockInterruptibly()可中断锁获取

超时机制

无

支持tryLock(long, TimeUnit)

条件变量

wait()/notify()

Condition.await()/signal()

适用场景

简单同步需求，代码简洁

需要灵活控制（如可中断、超时）

3. 锁的优化策略

锁粗化：将多次连续的锁操作合并为一次（如循环内同步块外提）；

锁消除：JVM通过逃逸分析，发现无共享数据竞争时移除锁（如局部变量同步）；

自旋锁：线程短暂等待（循环检查锁状态），避免线程切换开销（适用于锁持有时间短的场景）。

三、原子操作：无锁编程的基石

1. CAS（Compare-And-Swap）原理

底层机制：通过CPU指令（如x86的CMPXCHG）实现原子性；操作步骤：比较内存值与预期值，若相等则更新为新值，否则失败重试。

ABA问题：现象：值从A变为B又变回A，CAS会误认为未变化；解决方案：使用AtomicStampedReference（带版本号的原子引用）。

2. Java原子类体系

基本类型原子类：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean；示例：无锁计数器、自增操作。

数组原子类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray；适用场景：数组元素的原子更新。

引用类型原子类：AtomicReference：通用对象引用原子更新；AtomicMarkableReference：带标记位的原子引用（解决ABA问题）。

3. 原子操作的应用场景

计数器统计：如并发环境下的请求计数、库存扣减；

状态标志：如线程是否完成的原子标记；

无锁数据结构：如无锁队列（基于CAS实现入队出队）。

四、AQS（AbstractQueuedSynchronizer）：锁与同步器的核心框架

1. AQS的设计思想

模板方法模式：AQS定义同步状态的获取与释放框架，子类（如ReentrantLock、Semaphore）实现具体逻辑；核心方法：tryAcquire()、tryRelease()、isHeldExclusively()。

CLH队列：使用双向链表实现等待队列，每个节点存储线程与状态（WAITING/CANCELLED）；线程获取锁失败时入队，通过自旋等待前驱节点释放锁。

2. AQS的同步状态管理

State变量：32位整型，表示同步状态（如ReentrantLock中为重入次数，Semaphore中为可用许可数）；通过CAS更新状态，保证原子性。

独占模式与共享模式：独占模式：同一时刻仅一个线程可获取锁（如ReentrantLock）；共享模式：多个线程可同时获取锁（如Semaphore、CountDownLatch）。

3. AQS的子类实现解析

ReentrantLock：独占模式，通过Sync内部类实现公平/非公平锁；重入时增加State值，释放时递减。

Semaphore：共享模式，通过Sync管理许可数；acquire()减少许可，release()增加许可。

CountDownLatch：共享模式，初始化时设置计数器；countDown()递减计数器，await()阻塞直到计数器归零。

4. AQS的底层流程

获取锁：调用acquire()，尝试tryAcquire()；失败则创建节点入队，挂起当前线程。

释放锁：调用release()，更新State值；唤醒后继节点线程。

线程唤醒：通过LockSupport.unpark()激活挂起的线程；被唤醒线程重新尝试获取锁。

五、并发编程的常见问题与解决方案

1. 死锁的预防与检测

死锁条件：互斥条件、占有并等待、非抢占、循环等待。

预防策略：避免嵌套锁（按固定顺序获取锁）；设置锁超时（tryLock(long, TimeUnit)）；使用ThreadMXBean检测死锁（findDeadlockedThreads()）。

2. 线程安全的实现方式

不可变对象：如String、Integer，天然线程安全；

线程封闭：如ThreadLocal，每个线程独享变量副本；

同步容器：如Vector、Hashtable（性能较差）；

并发容器：如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList（分段锁、写时复制）。

3. 性能优化建议

减少锁粒度：如分段锁（ConcurrentHashMap的16段）；

避免锁竞争：使用读写锁（ReentrantReadWriteLock，读多写少场景）；

无锁化设计：优先使用CAS或原子类，减少线程阻塞。

六、构建高并发系统的核心原则

明确同步需求：根据场景选择锁、原子操作或无锁设计；

控制锁范围：缩小同步块代码，减少持有锁时间；

优先使用并发工具：如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore；

测试与监控：通过压力测试（如JMeter）验证并发性能，使用JVisualVM监控线程状态。

从原理到实践的并发编程进阶之路

Java并发编程的复杂度源于对线程调度、内存可见性、指令重排序等底层机制的抽象。通过掌握线程生命周期、锁的分类与优化、原子操作原理及AQS框架，开发者能够设计出高效、稳定的并发系统。无论是应对高并发流量还是解决复杂同步问题，这些核心知识都是不可或缺的武器库。