1-3-1-知识图谱

Java并发编程的知识体系确实庞大且环环相扣。下面我为你梳理一个结构清晰的知识图谱，并附上核心要点和面试考察方向，希望能帮助你系统性地复习和准备。

🧠 Java并发编程知识图谱：从理论到实战

📚 1. 并发基础与理论基石

要理解并发，首先要掌握它的三大核心概念和Java内存模型。

• 并发三要素：
  • 原子性：操作要么全部成功，要么全部失败，不可中断。例如，count++不是原子操作。
  • 可见性：一个线程对共享变量的修改，能立刻被其他线程看到。volatile关键字是解决可见性的常用手段。
  • 有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序。编译器和处理器可能会指令重排序，volatile和 synchronized能防止其发生。
• Java内存模型（JMM）：JMM规定了线程如何与主内存交互。它定义了主内存（共享变量存储区）和每个线程的工作内存（私有变量副本）。线程对变量的操作首先在工作内存中进行，然后刷回主内存。这导致了可见性问题，而 Happens-Before 原则是JMM用于保证操作可见性的重要规则。

🔐 2. 线程管理与生命周期

• 创建方式：继承 Thread类或实现 Runnable、Callable接口。后者更灵活，允许继承其他类，并且 Callable可以返回结果和抛出异常。
• 线程状态：Java线程在其生命周期中会处于不同的状态。
  • NEW（新建）：线程被创建但尚未启动。
  • RUNNABLE（可运行）：正在运行或准备运行，等待CPU调度。
  • BLOCKED（阻塞）：等待获取一个监视器锁（如进入synchronized块）。
  • WAITING（无限期等待）：等待另一个线程执行特定操作（如 object.wait()）。
  • TIMED_WAITING（限期等待）：带超时时间的等待（如 Thread.sleep(time)）。
  • TERMINATED（终止）：线程执行完毕。
• 重要方法：
  • wait(), notify(), notifyAll()：用于线程间协作，必须在 synchronized块内调用，且会释放锁。
  • sleep()：暂停线程执行，不释放任何锁。
  • yield()：提示调度器愿意让出CPU，但不保证成功。
  • join()：等待目标线程终止后再继续执行。

⚔️ 3. 同步机制与锁

这是并发编程的核心，也是面试的重点考察区。

• synchronized

  • 用法：修饰实例方法、静态方法、代码块。

  • 底层原理：基于对象头中的 Mark Word 和 Monitor（管程）机制。JVM对其进行了大量优化，锁会根据竞争情况升级：

    无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁（CAS自旋） → 重量级锁

  • 特点：JVM负责加锁和释放锁，简单易用。

• JUC Locks

  • ReentrantLock：可重入的互斥锁，相比 synchronized功能更丰富。
    • 支持公平锁与非公平锁（默认）。
    • 可尝试非阻塞获取锁（tryLock()）。
    • 可响应中断（lockInterruptibly()）。
    • 可以绑定多个条件变量（Condition），实现更精细的线程等待与唤醒。
  • ReadWriteLock：读写锁，实现读-读不互斥，读-写、写-写互斥，适合读多写少的场景。
  • StampedLock（JDK8+）：提供三种模式的锁控制。乐观读是其一大亮点，在竞争不激烈时能极大提升读性能。

• 底层基石：AQS (AbstractQueuedSynchronizer)

  • 它是 ReentrantLock, CountDownLatch, Semaphore等众多同步工具的底层实现核心。
  • 它通过一个 FIFO双向队列（CLH变体） 来管理等待获取资源的线程，并使用一个 volatile int state变量来表示同步状态。

🧪 4. 原子变量与无锁编程

• CAS (Compare-And-Swap)：一种无锁的乐观并发策略。它包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当且仅当V的值等于A时，才会用B更新V的值。这是一个CPU硬件指令，保证了原子性。
• 原子类：java.util.concurrent.atomic包下的类，如 AtomicInteger, AtomicReference，利用CAS实现线程安全的原子操作。
  • ABA问题：一个值从A变成B，又变回A，CAS会误以为它没变过。解决方案是使用带版本号的 AtomicStampedReference。
  • LongAdder：在高并发争用下，它将热点数据分离成多个Cell，让线程分散竞争，最后汇总结果。性能通常优于 AtomicLong。

🧰 5. 并发工具类 (JUC)

Java提供了强大的工具类来简化复杂的线程协作。

工具类	核心用途	特点
CountDownLatch	让一个或多个线程等待一组其他线程完成操作	一次性使用，计数减到0后，等待线程继续执行。
CyclicBarrier	让一组线程相互等待，到达一个公共屏障点后再继续执行	可重置，可循环使用，支持设置到达屏障后的统一任务（Runnable）。
Semaphore	控制同时访问特定资源的线程数量	用于流量控制、资源池化（如数据库连接池）。
Phaser	更灵活、可重用的同步屏障	支持动态调整注册的线程数，支持多阶段（Phase）同步。

🚀 6. 线程池与执行框架

手动创建和管理线程代价高昂，线程池是更好的选择。

• 核心类：ThreadPoolExecutor是线程池的实现核心。
• 核心参数（7大参数）：
  1. corePoolSize：核心线程数，即使空闲也不会被回收。
  2. maximumPoolSize：线程池允许创建的最大线程数。
  3. keepAliveTime：非核心线程空闲后的存活时间。
  4. workQueue：任务队列，用于保存等待执行的任务。
     • ArrayBlockingQueue：有界队列。
     • LinkedBlockingQueue：无界队列（需警惕任务堆积）。
     • SynchronousQueue：不存储元素，每个插入操作必须等待另一个线程的移除操作。
  5. threadFactory：用于创建新线程的工厂。
  6. RejectedExecutionHandler：拒绝策略，当线程池和队列都已满时如何处理新任务。
     • AbortPolicy（默认）：抛出 RejectedExecutionException。
     • CallerRunsPolicy：由提交任务的线程自己执行该任务。
     • DiscardPolicy：直接丢弃任务。
     • DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务，然后尝试提交新任务。
• 工作流程：
  1. 提交新任务。
  2. 若当前线程数 < corePoolSize，立即创建新线程执行。
  3. 若已达到 corePoolSize，则将任务放入 workQueue。
  4. 若队列已满且当前线程数 < maximumPoolSize，创建新的非核心线程执行。
  5. 若队列已满且线程数已达 maximumPoolSize，触发拒绝策略。
• 配置建议：
  • CPU密集型（计算为主）：corePoolSize = CPU核数 + 1。
  • IO密集型（网络、磁盘IO为主）：corePoolSize = CPU核数 * 2。
  • 最佳实践：使用有界队列，并自定义线程工厂（给线程命名，便于排查问题）和拒绝策略。

📦 7. 并发集合容器

传统的 HashMap, ArrayList不是线程安全的。JUC提供了高效的并发容器。

• ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap。
  • JDK7：采用分段锁机制，将数据分成一段一段存储，每段配一把锁。
  • JDK8及以后：摒弃分段锁，改用 synchronized锁桶头节点 + CAS 的方式，进一步减小锁粒度，提升并发度。
• CopyOnWriteArrayList：写时复制集合。所有写操作（add, set等）都会复制底层数组，在新数组上修改，最后替换引用。读操作无锁，性能极高，适合读多写少的场景。
• BlockingQueue：阻塞队列，是实现生产者-消费者模式的绝佳工具。常见实现有 ArrayBlockingQueue（有界）、LinkedBlockingQueue（可选有界/无界）、SynchronousQueue（不存元素，直接传递）。

💡 8. 高级主题与最佳实践

• 死锁与排查：
  • 产生条件：互斥、不可剥夺、请求与保持、循环等待。
  • 预防：统一加锁顺序、使用定时锁（tryLock(timeout)）、减小锁粒度。
  • 排查：使用 jstack <pid>命令 dump 线程栈，查看线程状态和锁持有信息。
• 性能优化：
  • 减小锁粒度（如 ConcurrentHashMap）。
  • 读写分离（使用 ReadWriteLock）。
  • 使用无锁数据结构（如原子类）。
  • 批量操作合并，减少同步次数。
• CompletableFuture（JDK8+）：强大的异步编程工具，支持链式调用、组合多个异步任务、异常处理等，让异步代码编写更加优雅。

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💎 知识图谱总结

知识模块	核心概念/工具	面试考察关键点
并发基础	原子性、可见性、有序性、JMM、Happens-Before	volatile关键字的作用（不保证原子性），synchronized的内存语义，指令重排序的影响
线程管理	线程状态（6种）、wait/notify vs sleep/yield/join、守护线程	sleep和wait的区别（是否释放锁），start和run方法的区别，如何正确停止线程
锁机制	synchronized锁升级过程、ReentrantLock（公平/非公平、Condition）、AQS原理	AQS队列工作原理，ReentrantLock相比synchronized的优势，自旋锁的优缺点
无锁编程	CAS原理、Atomic系列、LongAdder、ABA问题	CAS的底层CPU指令，AtomicLong在高并发下的瓶颈及LongAdder的解决方案
并发工具类	CountDownLatch/CyclicBarrier/Semaphore/Phaser的区别与使用场景	CountDownLatch（一次性）和CyclicBarrier（可重置）的区别，Semaphore在限流中的应用
线程池	ThreadPoolExecutor七大参数、四种拒绝策略、工作流程、配置原则	核心参数如何设置，非核心线程何时创建，常见的线程池类型（Fixed, Cached）及其潜在问题，如何合理配置线程池大小
并发容器	ConcurrentHashMap（JDK7 vs JDK8）、CopyOnWriteArrayList、BlockingQueue	ConcurrentHashMap如何保证线程安全和高性能，CopyOnWriteArrayList的适用场景和缺点，BlockingQueue实现生产者消费者模型
高级主题与实战	死锁预防与排查、CompletableFuture异步编程、性能优化原则	如何用jstack分析死锁，CompletableFuture的任务组合（thenApply, thenCompose, allOf），线上常见并发问题解决方案

希望这份知识图谱能帮助你构建清晰的学习和复习路径。并发编程的掌握离不开动手实践，建议你多写代码，多思考不同场景下的应用与取舍。如果你对某个特定知识点想进行更深入的探讨或模拟面试，我很乐意为你提供帮助。