解析Java的并发编程技术与陷阱

Java的并发编程技术与陷阱

随着计算机处理器芯片的发展，多核处理器已成为当今计算机的主流配置之一。Java语言作为企业级应用程序开发的主流语言，也在不断地发展与创新，以适应多核处理器的需求。在这种背景下，Java的并发编程技术越来越受到开发者的关注。

然而，对于并发编程技术的理解，往往需要深入了解Java多线程编程原理，才能真正洞察能够合理运用并发编程技术。本文将深入解析Java的并发编程技术与陷阱，从Java多线程的基础知识、线程安全性、锁原理、线程池的实现机制等多个方面进行了详细的介绍，以帮助读者更好的应用Java的并发编程技术，从而提高程序的性能与效率。

一、Java多线程的基础概念与实现机制

Java多线程的基础概念

在操作系统中，进程是系统进行资源分配和调用的基本单位，而线程是进程中的实际执行单位。Java语言通过Thread类来描述线程，Thread类是Java中直接支持线程的类。

Java中线程的创建

Java中有两种方式可以创建线程：

1. 继承Thread类并重写其run()方法

2. 实现Runnable接口并重写其run()方法

实现Runnable接口比继承Thread类更具有优越性，因为Java不支持多重继承，而实现接口可以解决这个问题。因此，在Java中使用Runnable接口比直接继承Thread类通常更可取。

Java多线程的状态转换

线程在Java中有以下几种状态：

1. 新建状态：当线程对象被创建后，线程就处于新建状态。此时，线程没有进入运行状态，也不参与CPU的调度。

2. 就绪状态：当调用线程的start()方法后，线程进入就绪状态，此时线程已经进入了JVM中的就绪队列，等待系统为其分配CPU资源。

3. 运行状态：当CPU调度到一个就绪状态的线程时，线程便进入运行状态，开始执行run()方法。此时，线程使用CPU资源完成各种操作。

4. 阻塞状态：当线程被阻塞时，线程进入了阻塞状态。线程阻塞的原因有多种，例如线程执行sleep(),wait()方法等。此时线程会放弃CPU资源，不参与CPU的调度。

5. 终止状态：线程执行完毕后或出现异常，线程会进入终止状态。此时，线程将不再参与CPU的调度。

二、线程安全性实现方法

线程安全性的定义

简单来说，线程安全就是指多个线程在访问同一共享资源时，要保证对共享资源的数据访问能够正确地进行，不会产生数据不一致性、死锁等问题。

线程安全性实现方法

1. 使用锁机制

Java提供了锁机制（synchronized）来保证线程安全。锁机制是一种同步机制，用于保护共享资源，实现方式分为两种：

1.1 基于对象的锁机制

对于这种锁机制，需要在访问共享资源的方法或代码块上添加synchronized关键字，即使用synchronized关键字来保证并发时，只有一个线程可以访问共享资源。例如：

```java
public synchronized int getCount() {
return count;
}
```

1.2 基于类的锁机制

对于这种锁机制，需要采用类级别的锁来保护共享资源，也就是使用static synchronized关键字。例如：

```java
public static synchronized void incrCount() {
count++;
}
```

2. 使用volatile关键字

volatile关键字可以用于保证数据的可见性和顺序性，即保证一个线程在读取一个volatile变量时，能够读到其他线程对该变量的更新。

volatile关键字主要应用于以下两种场景：

2.1 状态标记量

当一个对象的状态标记量需要多个线程共同操作时，可以采用volatile关键字来保证状态标记量的可见性。例如：

```java
volatile boolean flag = false;

public void setFlag(boolean flag) {
this.flag = flag;
// ...
}

public void doSomethig() {
while (!flag) {
// waiting for flag to be true
}
// ...
}
```

2.2 单例模式中的双重检查锁定

在Java中，单例模式是一个经典的设计模式。为了保证线程安全，可以采用双重检查锁定来实现单例模式。双重检查锁定的实现方式是懒汉式单例模式的升级版。在双重检查锁定中，我们需要将单例对象定义为volatile类型，以保证多线程环境下该对象的可见性。例如：

```java
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;

private Singleton() {}

public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
```

3. 使用原子类

除了锁和volatile关键字，Java还提供了Atomic类来解决非阻塞同步问题。Atomic类是一种轻量级同步机制，它可以用于保证单个变量的读、写和更新操作的原子性。它的更新操作不会引起线程阻塞，即文件不会出现deadlock。

常用的Atomic类有：

3.1 AtomicInteger

AtomicInteger是一种可以保证原子性的Integer。AtomicInteger中提供了多种方法，如get()、getAndIncrement()、decrementAndGet()等，可以保证对该变量的操作具有原子性。例如：

```java
AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public int getCount() {
return count.get();
}

public void incrCount() {
count.incrementAndGet();
}
```

3.2 AtomicReference

AtomicReference是一种原子引用类型，使用它可以保证引用对象的原子性。例如：

```java
AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("default");

public void setRef(String value) {
ref.set(value);
}

public boolean compareAndSetRef(String expected, String update) {
return ref.compareAndSet(expected, update);
}
```

三、锁的实现原理

Java中的锁分为可重入锁、公平锁和非公平锁等类型。不同类型的锁实现机制不同，下面以可重入锁为例，介绍锁的实现原理：

1. 可重入锁

可重入锁即为一个线程可以获取它已经持有的锁，而不会出现死锁的情况。

Java中可重入锁支持两种实现方式：

1.1 synchronized关键字

synchronized关键字的可重入性是由JVM中的monitor来实现的。每个Object对象都有一个monitor，该monitor中包含一个计数器。当一个线程获取了该对象的锁时，monitor的计数值为1，当该线程再次获取该对象的锁时，计数器加1，当该线程释放该对象锁时，计数器减1，如果计数器为0，锁被完全释放。在该过程中，一个线程可以多次获取锁，并且只有持有该锁的线程可以释放该锁。例如：

```java
public synchronized void methodA() {
// code
methodB();
// code
}

public synchronized void methodB() {
// code
}
```

在例子中，methodA()和methodB()中都使用了synchronized关键字，并且都是同步到该对象上，因此当methodA()执行时，它会获得该对象的锁，同时methodB()也会得到该对象的锁，因此，methodB()的执行不会导致系统死锁。

1.2 ReentrantLock

ReentrantLock是Java提供的可重入锁。与synchronized关键字相比，ReentrantLock具有高度的灵活性，它支持可超时的尝试获得锁、中断线程等高级功能。

ReentrantLock的实现方式主要是AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的实现。AQS主要采用了一种先进先出的队列，即FIFO队列来管理线程，它的原理就是当一个线程获取锁时，如果锁已经被其他线程所持有，那么该线程就会被放入等待队列中，等待锁的释放。当锁释放后，等待队列中的第一个线程就会被唤醒，获取到锁并执行相应的操作。

ReentrantLock使用示例：

```java
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void methodA() {
lock.lock();
try {
// code
methodB();
// code
} finally {
lock.unlock();
}
}

public void methodB() {
lock.lock();
try {
// code
} finally {
lock.unlock();
}
}
```

在例子中，我们使用ReentrantLock来保证线程安全。在执行methodA()方法时，第一次获取锁成功，然后又调用了methodB()方法，也获取到了锁，而在各自方法执行完毕后，都正确地释放了锁。

四、线程池的实现与使用

线程池的好处

线程池可以帮助我们更好地管理线程资源，它可以缩短线程的创建和销毁时间，避免频繁的创建和销毁线程带来的性能开销，并实现线程的复用，提高程序的运行效率。

Java中的线程池常用的有以下三种：

1. FixedThreadPool

FixedThreadPool是一种固定大小的线程池，它管理了一个固定大小的线程池，每当提交一个任务时，就会创建一个线程来执行该任务。并且在线程未执行完毕之前，其他任务将会被阻塞。例如：

```java
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);