《Java并发编程》课件

并发编程Java欢迎参加《并发编程高性能多线程应用开发指南》专题讲座本次课程Java将深入探讨并发编程的核心概念、实现机制和最佳实践，帮助您掌握开发Java高性能多线程应用的关键技能通过系统化学习，您将了解内存模型、线程生命周期管理、同步协作机Java制、并发容器框架以及线程池优化等重要知识点，为构建可靠、高效的并发系统奠定坚实基础课程大纲内存模型与并发基础Java探讨JMM规范、原子性、可见性、有序性等基本概念线程创建与生命周期掌握线程的创建方式、状态转换与控制机制线程同步与协作机制学习synchronized、volatile、Lock等同步工具并发容器与框架深入理解ConcurrentHashMap等高效并发集合线程池与任务执行掌握线程池配置与任务调度最佳实践并发编程最佳实践学习性能优化技巧与常见问题解决方案第一部分并发编程基础基础概念掌握并发与并行的区别，线程与进程关系内存模型理解内存模型的核心规范和工作原理Java同步原语学习基础同步工具和并发控制机制在开始深入学习并发编程的具体技术之前，我们需要首先建立对并发编程基础概念的清晰认识这部分内容将为您奠定坚实的理论基础，帮助您更好地理解后续高级主题什么是并发编程？多任务并行执行模型提升系统性能并发编程是一种编程范式，允许并发编程通过合理分配计算资多个计算任务在重叠的时间段内源，提高系统的吞吐量和资源利执行，从而实现看似同时的效用率当一个线程因操作阻I/O果在单核处理器上，这是通过塞时，其他线程可以继续执行，时间分片实现的；在多核系统避免资源闲置，从而提升整CPU中，则可以实现真正的并行执体系统效率行响应式系统设计在现代应用程序开发中，并发编程是构建响应式系统的基础通过将耗时操作放在独立线程中执行，可以保持用户界面的流畅响应，提升用户体验为什么需要并发编程？性能优化利用多核架构实现真正的并行计算，充分发挥现代处理器的性能潜力在计算密CPU集型应用中，合理的多线程设计可以显著提升处理速度，减少任务完成时间提升响应性通过将耗时操作从主线程分离，确保用户界面保持流畅响应这在图形界面应用和服务器中尤为重要，可以防止因单线程阻塞导致的卡顿现象Web增加吞吐量服务器应用可以同时处理更多请求，提高系统整体处理能力通过并发处理用户请求，大幅提升系统可服务的客户端数量，实现系统的水平扩展优化资源利用有效管理和共享系统资源，提高资源利用效率当程序需要等待外部资源（如网络、磁盘）时，其他线程可以继续执行，避免空闲I/O CPU并发编程的挑战复杂的调试过程并发难以重现和定位bug性能开销线程创建和上下文切换消耗资源竞态条件多线程对共享资源的无序访问线程安全问题数据一致性和可见性保障死锁、活锁与饥饿资源争用导致的程序阻塞尽管并发编程带来诸多好处，但也引入了一系列复杂的技术挑战开发人员需要充分了解这些潜在问题，掌握相应的解决方案，才能构建高质量的并发程序内存模型（）概述Java JMM定义解决的核心问题与硬件架构的关系JMM内存模型（）是可见性一个线程对共享变量的修改是一个抽象层，屏蔽了不同硬件架构Java JavaMemory Model•JMM一种规范，定义了虚拟机如何与计能否被其他线程立即看到的内存访问差异它在不同的处理器架Java算机内存进行交互它规定了在多线程构（如、等）上提供统一的内存原子性操作是否可以分割，是否会x86ARM•程序中，变量的访问规则，以及在不同访问保证，使程序能够在各种硬件被其他线程干扰Java线程之间共享的变量如何同步平台上保持一致的行为有序性程序执行的顺序是否与代码•编写顺序一致的核心目标是提供清晰的内存可见性JMM保证，同时允许编译器和处理器进行必要的优化中的主内存与工作内存JMM主内存读取加载/1所有线程共享的内存区域，存储了Java从主内存复制变量到工作内存对象的实例数据工作内存写入存储/线程私有的内存区域，存储了线程正在将工作内存中的变量值刷新到主内存使用的变量副本在模型中，线程不能直接访问主内存中的变量，而必须先将其加载到工作内存中进行操作，然后再将结果写回主内存这种设计JMM反映了现代计算机架构中的多级缓存系统，同时也是导致可见性问题的根本原因原子性、可见性与有序性原子性（）可见性（）有序性（）Atomicity VisibilityOrdering操作不可中断，要么全部执行成功，要一个线程对共享变量的修改对其他线程程序执行顺序与代码编写顺序一致保么全部不执行中的原子性保证来可见保证可见性的方式包括证有序性的方式Java源于关键字关键字（禁止重排序）•volatile•volatile基本类型的赋值操作（和•long double关键字关键字•synchronized•synchronized除外）关键字（对象构造完成后不可规则•final•happens-before所有引用类型的赋值操作•变）关键字•synchronized接口实现类•Lock原子类（•java.util.concurrent.atomic包）重排序与原则happens-before重排序类型编译器优化重排序编译器在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行•顺序指令级并行重排序现代处理器采用了指令级并行技术，如乱序执行、猜测执行•内存系统重排序由于处理器使用缓存和读写缓冲区，导致加载和存储操作看上去是•乱序执行规则happens-before定义的规则是并发编程的基础规则，确保在特定情况下一个操JMM happens-before Java作的结果对另一个操作可见主要规则包括程序顺序规则线程中的每个操作于该线程中后续操作•happens-before监视器锁规则解锁操作于后续对同一锁的加锁操作•happens-before规则对变量的写于后续对该变量的读•volatile volatilehappens-before传递性规则如果，，则•A happens-before BB happens-before CA happens-before C第二部分线程基础线程创建线程控制学习创建线程的多种方式，及其优缺点比较掌握线程启动、中断、暂停、恢复和终止的正确方法Java线程生命周期线程调度理解线程的六种状态及其相互转换的条件和过程了解线程优先级、时间分片以及的线程调度模型Java这一部分将深入探讨线程的基础知识，包括线程的创建、生命周期管理以及控制机制掌握这些基础知识是进行高级并发编程的前提和基石Java线程的概念与状态线程的定义线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，是进程中的实际运作单位线程是Java的轻量级进程，允许程序同时执行多个任务每个应用至少有一个主线程，由JVM Java启动，从方法开始执行JVM main线程的六种状态线程被创建，但尚未启动NEW线程已启动，正在执行或等待调度RUNNABLE CPU线程阻塞，等待获取监视器锁BLOCKED线程进入无限期等待状态WAITING线程进入指定时间的等待状态TIMED_WAITING线程已执行完毕TERMINATED状态转换机制线程状态转换受到方法调用和锁获取状态的影响例如，调用使线thread.start程从转为；调用使线程从转为；NEW RUNNABLEObject.wait RUNNABLEWAITING当线程竞争锁失败时，从转为状态synchronized RUNNABLEBLOCKED创建线程的三种方式继承类实现接口Thread Runnable直接继承类实现接口•java.lang.Thread•java.lang.Runnable重写方法定义线程执行体实现方法•run•run调用方法启动线程创建实例，传入实•start•Thread Runnable现优点编写简单，获取线程状态便捷•优点可以避免单继承限制，更好地•体现面向对象设计缺点不支持多继承，限制了类•Java的设计缺点无法直接获取线程执行结果•实现接口Callable实现接口•java.util.concurrent.Callable实现方法，可以有返回值•call结合使用•FutureTask优点可以获取返回结果，可以抛出异常•缺点代码结构相对复杂•类的常用方法Threadstart joinsleep启动线程，使线程进入就绪等待线程终止当在某个线使当前线程暂停执行指定的状态，等待CPU调度调用程A中调用另一个线程B的时间，进入TIMED_WAITINGstart方法后，JVM会在适join方法时，线程A将被阻状态sleep是Thread类当的时候调用线程的run方塞，直到线程B执行完毕的静态方法，它不会释放对法注意不要直接调用run这常用于线程间的协调，确象锁睡眠结束后，线程重方法，这只会在当前线程执保一个线程在另一个线程完新进入RUNNABLE状态，等行run方法，而不会启动新成后再继续执行待CPU调度线程interrupt中断线程，设置线程的中断标志位被中断的线程需要检查自身的中断状态并做出响应如果线程在sleep、wait或join方法中被中断，将抛出InterruptedException异常线程优先级与调度线程优先级调度策略线程优先级范围为，默认优先级为通过线程调度主要有两种模式Java1-105setPriority Java方法设置，通过方法获取优先级越高的线程获得getPriority抢占式（）高优先级线程可以抢占低优先级线程Preemptive的时间片相对越多，但具体调度由操作系统决定CPU的时间，这是线程调度的主要方式CPU Java类定义了三个优先级常量Thread协作式（）线程主动让出时间，允许其他线Cooperative CPU程执行，如通过方法yield•MIN_PRIORITY1方法提示调度器当前线程愿意让出使用权，•NORM_PRIORITY5Thread.yield CPU但调度器可以忽略这个提示方法不会导致线程阻塞，只yield•MAX_PRIORITY10是让线程从运行状态转为就绪状态守护线程与用户线程用户线程守护线程User ThreadDaemon Thread用户线程是程序的主要线程，执行应用程序的核心逻辑它守护线程是为用户线程服务的后台线程，执行重要性较低的任Java们具有以下特点务它们的特点是默认创建的线程都是用户线程通过方法设置••setDaemontrue会等待所有用户线程执行完毕后才会退出必须在线程启动前设置守护状态•JVM•主线程结束后，如果存在用户线程，程序会继续运行当所有用户线程结束时，守护线程会自动终止••通常用于执行程序的主要业务逻辑适合执行周期性服务或资源清理任务••典型的守护线程包括垃圾回收器、编译器线程等JIT第三部分线程同步与协作同步基础同步工具Java线程安全概念与实现机制、、等synchronized volatileLock线程协作原子操作等待通知机制与同步工具类机制与原子类应用/CAS在并发编程中，多线程访问共享资源是常见场景，如何保证数据的一致性和正确性是关键挑战这部分将详细介绍中的各种同步Java机制和线程协作工具，帮助您构建安全、高效的并发程序线程安全的概念线程封闭数据仅在单线程内访问互斥同步锁机制保证排他性访问不可变设计对象创建后状态不变线程安全是指在多线程环境下，代码能够正确地处理共享数据，不会因为并发访问而产生数据错误当多个线程访问一个类或对象时，如果不需要额外的同步或协调，这个类就是线程安全的线程安全可以分为三个层次不可变性（如、等不可变类）、绝对线程安全（所有方法都是线程安全的）和相对线程安全String Integer（单个操作是线程安全的，但组合操作可能需要额外同步）常见的线程安全问题包括竞态条件、数据不一致和可见性问题关键字synchronized方法级同步代码块同步锁对象选择策略修饰方法时，锁对象是代码块允许更细粒度的锁选择合适的锁对象是同步设计的重要部synchronized synchronized控制分实例方法当前实例对象•this锁定当前对可以使用专门的对象作为锁静态方法当前类的对象•synchronizedthis{...}-••Class象避免使用常量或全局对象作为•String方法级同步的优点是代码简洁，缺点是锁定指定锁•synchronizedobject{...}-锁的粒度较粗，可能导致性能问题对象考虑使用不可变的私有对象作为锁•类名锁定•synchronized.class{...}-根据保护的数据选择合适粒度的锁•类对象代码块同步可以最小化锁的范围，提高并发性能的优化synchronized偏向锁首次获取锁时记录线程，后续同一线程再次获取时无需同步操作ID轻量级锁使用操作尝试获取锁，避免重量级锁的线程阻塞和唤醒CAS重量级锁依赖操作系统的互斥量实现，线程阻塞和唤醒由操作系统负责为提升性能实施了一系列锁优化技术除了锁升级外，还包括以下优化JVM synchronized锁消除编译器在编译期间检测到某些同步操作是不必要的（如方法内的局部对象不会逃逸），会自动消除这些锁JIT锁粗化检测到一系列连续的加锁、解锁操作时，会将多个锁操作合并成一个更大范围的锁，减少反复加锁解锁的开销JVM自适应自旋线程在获取重量级锁失败时，不会立即阻塞，而是执行一定次数的循环（自旋）等待锁释放，避免线程切换的开销关键字volatile保证可见性禁止指令重排序适用场景与限制的主要作用是确保多线程环境下变关键字还能阻止指令重排序优化适合于以下场景volatile volatilevolatile量的可见性当一个线程修改了变在硬件层面，它通过内存屏障（volatile Memory一个线程写，多个线程读的共享变量•量的值，这个新值对其他线程立即可见）实现，确保变量的读写操Barrier volatile作为状态标志使用•这是通过禁止变量缓存在寄存器或缓存作不会被重排序到内存屏障之前或之后CPU中实现的，所有读写操作都必须与主内存这对实现单例模式的双重检查锁定等场景•双重检查锁定中的实例变量交互非常重要主要限制是不保证原子性，因此不适用于复合操作（如）这类操作仍需要通过i++或锁来保证synchronized原理与应用CAS比较（Compare）读取内存中的当前值A，与期望值E进行比较交换（Swap）如果A等于E，则将新值U写入内存；否则不做任何操作返回结果返回操作是否成功，允许调用方决定后续操作重试机制失败时通常在循环中重试，直到成功或达到重试次数上限CAS（Compare AndSwap）是一种无锁算法，通过硬件原语实现原子操作，是Java并发包中许多非阻塞数据结构的基础它是典型的乐观锁实现，假设数据不会发生冲突，只在提交时检查冲突并处理CAS存在ABA问题如果一个值从A变为B，再变回A，CAS操作会误认为它未被修改解决方案是使用版本号或时间戳，如AtomicStampedReference类CAS在高并发、竞争不激烈的环境中有显著优势，但长时间自旋会消耗CPU资源原子类基本类型原子类提供对基本数据类型的原子操作，包括、和这些AtomicInteger AtomicLongAtomicBoolean类支持原子递增、递减和条件更新等操作，通常用于计数器、序列号生成器等场景典型方法有、等incrementAndGet compareAndSet引用类型原子类提供对引用类型的原子更新，和AtomicReference AtomicStampedReference通过附加的标记解决问题这些类适用于需要原子性地更新复AtomicMarkableReference ABA杂对象引用的场景，如无锁数据结构的实现数组类型原子类、和提供对数组元素的原子操AtomicIntegerArray AtomicLongArrayAtomicReferenceArray作它们允许安全地更新数组中的单个元素，而无需对整个数组进行同步这在并发访问共享数组时特别有用字段更新器、和提AtomicIntegerFieldUpdater AtomicLongFieldUpdaterAtomicReferenceFieldUpdater供对对象中字段的原子更新这种机制允许在不修改现有类结构的情况下，为特定字volatile段添加原子操作能力显式锁接口Lock接口基础与的区别Lock Lock synchronized接口是关键字的替需要显式获取和释放锁，而自动释放java.util.concurrent.locks.Lock synchronized•Lock synchronized代品，提供更灵活的锁操作接口的核心方法包括Lock可以尝试非阻塞获取锁和设置超时•Lock允许分离读写操作（）获取锁，如果锁不可用会阻塞•Lock ReadWriteLock•lock可以被中断，不行释放锁•Lock synchronized•unlock可以实现公平锁，避免饥饿尝试获取锁，立即返回成功或失败•Lock•tryLock获取锁，可被中断•lockInterruptibly创建条件变量•newCondition使用时需要注意在块中释放锁，确保锁总能被释放接口提供了比更细粒度的控制和更高的灵活性，适Lock finallyLocksynchronized合复杂的锁场景详解ReentrantLock可重入性公平性选择ReentrantLock允许同一线程多次获取同一个ReentrantLock可以创建公平锁或非公平锁锁，而不会产生死锁每次获取锁时，锁的持•公平锁按照申请顺序获取锁，避免饥饿有计数增加，每次释放锁时，计数减少，当计•非公平锁允许插队，提高吞吐量，是默数为0时，锁被完全释放这与synchronized认选择类似，但ReentrantLock能够查询锁的持有次数公平锁通常性能较低，但能保证等待时间的公平性，适用于需要严格按照申请顺序分配锁的场景高级功能ReentrantLock提供了一系列高级功能•lockInterruptibly允许在等待锁的过程中响应中断•tryLock尝试获取锁，立即返回结果•tryLocklong,TimeUnit带超时的锁获取•getHoldCount查询当前线程持有锁的次数•newCondition创建条件变量，实现精确的线程等待/通知读写锁ReadWriteLock读锁共享写锁排他锁降级机制多个线程可以同时获取读写锁是独占的，当一个线程ReentrantReadWriteLock锁，适合于读多写少的场获取写锁时，其他线程无法支持从写锁降级为读锁线景当有线程持有读锁时，获取读锁或写锁这确保了程获取写锁后，可以再获取其他线程仍可获取读锁，但写操作的原子性和数据的正读锁，然后释放写锁，保持无法获取写锁，从而保证了确性写锁通常具有更高的读锁这在更新共享数据后读操作的并发性和数据的一优先级，防止写饥饿现需要读取的场景中很有用，致性象可以避免数据不一致性StampedLockJava8引入的StampedLock提供了乐观读取模式，允许数据的读取与写入同时进行，只在实际发生冲突时才进行同步这种方式在读操作占绝大多数且冲突很少的场景中，可以显著提高性能线程协作等待通知机制/等待（）Wait线程调用对象的方法进入等待状态，同时释放锁，直到其他线wait程调用或超时notify/notifyAll通知（）Notify线程通过调用唤醒一个等待线程，或通过唤醒所notify notifyAll有等待线程重新获取锁被唤醒的线程需要重新竞争锁，获取成功后才能继续执行等待通知机制是线程间协作的基础方式，可以使线程在某个条件不满足时等待，而在条件满足时得到通知标准用法要求/等待和通知必须在块或方法中调用•synchronized方法通常在循环中使用，以重新检查等待条件•wait通常比更安全，避免信号丢失•notifyAll notify接口提供了更灵活的等待通知机制，允许一个锁创建多个条件变量，实现更精确的线程控制Condition/与CountDownLatch CyclicBarrierCountDownLatch CyclicBarrier是一个同步辅助类，允许一个或多个线程等待是一个同步屏障，使一组线程相互等待，直到全部CountDownLatchCyclicBarrier其他线程完成操作其工作原理是到达某个公共点其特点包括初始化时设定一个计数值初始化时指定参与线程数量••线程调用方法使计数器减线程调用等待其他线程•countDown1•await线程调用方法等待计数器降为当所有线程都调用后，屏障打开，全部线程继续执行•await0•await计数器归零后，所有等待的线程被释放•可以提供一个在屏障打开时执行•Runnable适用于一次性的等待触发场景，如初始化完CountDownLatch/屏障可以重置，循环使用•成、任务分解协调等适合于多个线程需要相互等待的场景，如并行计CyclicBarrier算、多阶段处理等与Semaphore ExchangerSemaphore控制同时访问特定资源的线程数量获取许可获取一个许可，可指定数量acquire使用资源线程获得许可后访问受限资源释放许可释放许可，归还给信号量release（信号量）是一种计数信号量，常用于控制对有限资源的访问数量，如数据库连接池、文Semaphore件句柄等可以是公平的或非公平的，提供方法实现非阻塞获取Semaphore tryAcquire是一个同步点，允许两个线程交换数据当两个线程都到达调用点时，它们交换Exchanger exchange数据缓冲区并继续执行在遗传算法、管道设计等场景中很有用，适合于两个线程之间的Exchanger双向数据交换它还支持超时，防止无限等待第四部分并发容器与框架同步容器了解和传统同步容器类的特性与限制，包括、Collections.synchronizedXxx Vector等这些容器通过完全同步的方式保证线程安全，但可能存在性能和并发度问Hashtable题并发容器掌握包中高性能并发容器的工作原理，如、java.util.concurrent ConcurrentHashMap等这些容器采用细粒度锁或无锁技术，在保证线程安全的同时提CopyOnWriteArrayList供更高的并发度阻塞队列学习接口及其实现类的特性和应用，如、BlockingQueue ArrayBlockingQueue等这些队列提供了线程安全的数据结构，支持生产者消费LinkedBlockingQueue FIFO-者模式性能考量掌握不同并发容器的适用场景和性能特性，学习如何根据实际需求选择最合适的容器类型合理的容器选择可以显著提升并发应用的性能和可伸缩性同步容器与并发容器概述同步容器并发容器选择策略同步容器通过在方法上加锁实现线程安包提供的并发容器选择合适的容器类需要考虑多个因素java.util.concurrent全，主要包括通过精细化的锁机制或无锁技术提高并读写比例读多写少场景适合•发性能线程安全的容器•Vector ArrayListCopyOnWrite线程安全的线程安全的•ConcurrentHashMap迭代需求是否需要线程安全的迭代•Hashtable HashMap•，分段锁技术HashMap器方法封•Collections.synchronizedXxx线程安全的装的集合类•CopyOnWriteArrayList元素数量大容量集合的并发操作性•，写时复制技术ArrayList能这些容器的特点是实现简单、行为可预线程安全•ConcurrentSkipListMap容器特性排序、去重、阻塞特性等•测，但由于采用方法级锁，导致并发性的排序Map能较低，容易成为性能瓶颈各种实现类线程安•BlockingQueue全的队列结构详解ConcurrentHashMap实现性能优势Java7分段锁设计，将哈希表分为个段，每个段独立加锁读操作无锁，写操作使用或细粒度锁，极大提高高并发环境下的性能Segment16CAS及以上实现Java8基于和实现，取消了分段锁设计，进一步提高并发度CAS synchronized是的线程安全版本，专为高并发环境设计，它的特点包括ConcurrentHashMap HashMap高并发度允许多个线程同时读写，不同的键值对可以并行操作•弱一致性迭代器反映的可能是创建后的某个时刻的数据，不会抛出•ConcurrentModificationException估计计数诸如、这样的方法返回的是估计值，而非精确值•size isEmpty原子复合操作提供了多种原子性的复合操作，如、等•putIfAbsent replace是高并发场景的首选集合类型，特别适合读多写少的环境ConcurrentHashMapCopyOnWriteArrayList/Set写时复制技术适用场景和这种容器特别适合于读多写少的并发场CopyOnWriteArrayList基于写时复制景CopyOnWriteArraySet（）技术实现当需要修Copy-On-Write读取操作远多于写入操作•改集合时，不直接在原集合上操作，而是集合规模较小•复制一份新集合，在新集合上进行修改，然后用新集合原子性地替换旧集合这样•需要在遍历的同时进行修改读操作无需加锁，可以并发执行对实时性要求不高•典型应用包括事件监听器列表、观察者模式实现等性能特点容器的性能特点CopyOnWrite读取性能极高，无锁操作•写入性能较低，需要复制整个集合•内存占用较高，每次写入都会创建新数组•迭代器是快照，不会抛出•ConcurrentModificationException阻塞队列BlockingQueue阻塞队列线程安全的FIFO数据结构生产者调用put/offer方法添加元素消费者调用take/poll方法获取元素BlockingQueue是Java并发包中的接口，实现了生产者-消费者模式的线程安全队列它的核心特性是队列满时，生产者线程会阻塞；队列空时，消费者线程会阻塞这种机制简化了线程协作的编程复杂度主要的BlockingQueue实现包括ArrayBlockingQueue基于数组的有界队列，创建时必须指定容量LinkedBlockingQueue基于链表的队列，可以指定容量，不指定则为Integer.MAX_VALUEBlockingQueue提供四组不同语义的操作方法•抛出异常adde、remove、element•返回特殊值offere、poll、peek特殊阻塞队列PriorityBlockingQueue一个基于优先级堆的无界阻塞队列，元素按照自然顺序或通过排序它不允许存Comparator放元素，添加的元素必须实现接口或提供适用于任务调度系null ComparableComparator统，按优先级处理任务DelayQueue延迟队列中的元素只有在其指定的延迟时间到期后才能被取出元素必须实现接口，Delayed指定自己的延迟时间适合于实现定时任务调度、缓存超时管理、空闲连接回收等场景SynchronousQueue一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然实际上不是一个真正的队列，而是线程之间的数据交换点它在线程SynchronousQueue池和消息传递实现中有广泛应用LinkedTransferQueue一个链表结构的无界阻塞队列，实现了接口它比更灵TransferQueue SynchronousQueue活，支持可选的同步传输当有消费者等待时，生产者可以直接将元素传递给消费transfer者，无需入队第五部分执行器与线程池线程池基础了解线程池的概念、优势以及在并发编程中的重要性线程池通过重用线程减少了创建和销毁线程的开销，提高了资源利用率和系统响应性核心实现与配置深入学习的工作原理和配置参数，包括核心线ThreadPoolExecutor程数、最大线程数、线程存活时间、工作队列和拒绝策略等合理的线程池配置对应用性能至关重要高级线程池技术探索、等高级并发工具，了解工ForkJoinPool CompletableFuture作窃取算法和异步编程模型的实现原理这些工具为复杂并发场景提供了高效解决方案线程池基本概念什么是线程池线程池的优势中的框架Java Executor线程池是一种线程使用模式，它通过预减少资源消耗通过重用线程，减少引入的框架提供了标准化•Java5Executor先创建并复用线程，避免频繁创建和销创建和销毁线程的开销的线程池机制核心接口和类包括毁线程的开销线程池管理一组工作线提高响应速度任务到达时，无需等•执行已提交任务的简单接•Executor程，线程的创建和销毁由池管理器控待线程创建口制，而不是由使用者直接控制提高线程可管理性统一管理、监控•扩展了•ExecutorService Executor和调优线程工作线程能够处理多个任务，当线程完接口，提供了管理线程池的方法成任务时，不会被销毁，而是返回池中控制并发数防止无限制创建线程导••ThreadPoolExecutor等待下一个任务这种机制显著降低了致系统崩溃的主要实现类ExecutorService系统资源消耗和延迟实现任务分离线程管理与任务执行•工厂类，提供了创建各•Executors分离，符合单一职责原则种预配置线程池的工厂方法详解ThreadPoolExecutor核心参数工作队列类型核心线程数（corePoolSize）池中保持活动的基ArrayBlockingQueue基于数组的有界队列，FIFO本线程数，即使它们是空闲的排序最大线程数（maximumPoolSize）池中允许的最LinkedBlockingQueue基于链表的可选有界队大线程数列，FIFO排序保持活动时间（keepAliveTime）超过核心线程SynchronousQueue不存储元素的队列，直接交数的空闲线程在被终止前等待新任务的最长时间接任务PriorityBlockingQueue基于优先级的无界队列时间单位（unit）保持活动时间的时间单位工作队列（workQueue）存放任务的阻塞队列DelayQueue延迟执行任务的无界队列线程工厂（threadFactory）创建新线程的工厂拒绝策略（handler）队列已满且线程数达到最大值时的处理策略拒绝策略AbortPolicy抛出RejectedExecutionException异常（默认）CallerRunsPolicy在调用者线程执行任务DiscardPolicy静默丢弃任务DiscardOldestPolicy丢弃最早的未处理任务，然后重试执行当前任务常见线程池类型newFixedThreadPool newCachedThreadPoolnewSingleThreadExecutor创建固定大小的线程池，维护固定创建一个可缓存的线程池，线程数创建一个单线程执行器，保证所有数量的线程，不会随着任务增加而量不固定，根据需要创建新线程任务按照FIFO顺序在一个线程中顺增加，也不会因为空闲而减少适空闲线程会保留60秒，适合于执行序执行适合需要保证任务执行顺合于负载稳定的服务型应用，如许多短期异步任务的程序核心线序的场景核心线程数和最大线程Web服务器所有线程都是核心线程数为0，最大线程数为数都是1，使用无界程，使用无界Integer.MAX_VALUE，使用LinkedBlockingQueue作为工作队LinkedBlockingQueue作为工作队SynchronousQueue作为工作队列列列newScheduledThreadPool创建一个支持定时和周期性任务执行的线程池适合需要延迟执行或周期性执行任务的场景，如定时检查、定期清理等使用DelayedWorkQueue作为工作队列，可以安排任务在指定延迟后运行或周期性执行线程池的使用与监控提交任务线程池提供两种任务提交方法execute和submitexecute方法接受Runnable任务，不返回结果；submit方法接受Runnable或Callable任务，返回Future对象，可以获取执行结果或取消任务对于需要获取执行结果的场景，应使用submit方法2关闭线程池线程池提供两种关闭方法shutdown和shutdownNowshutdown方法会平滑关闭线程池，不再接受新任务，但会执行完已提交的任务；shutdownNow方法会尝试停止所有正在执行的任务，不再处理等待队列中的任务，并返回等待执行的任务列表应根据业务需求选择合适的关闭方式监控线程池状态ThreadPoolExecutor提供了丰富的方法来监控线程池状态，如getActiveCount、getCompletedTaskCount、getTaskCount、getPoolSize等通过这些方法可以实时获取线程池的运行状况，为性能调优和问题诊断提供依据在生产环境中，应建立完善的线程池监控机制线程池大小的选择线程池大小的合理配置对系统性能至关重要对于CPU密集型任务，线程池大小通常设置为CPU核心数+1；对于IO密集型任务，线程池大小可以设置为CPU核心数*2此外，还应考虑内存大小、任务特性等因素，必要时通过性能测试确定最佳配置与工作窃取算法ForkJoinPool设计理念核心组件工作窃取算法ForkJoinPool是引入的特殊线程有返回结果的任务工作窃取（）算法核心思ForkJoinPool Java7RecursiveTask work-stealing池，专为分治算法设计与传统线程池想是每个工作线程维护自己的双端队无返回结果的任务RecursiveAction的一个任务一个线程模式不同，它采用列，当自己的队列为空时，会从其他忙工作窃取算法，允许空闲线程窃取其碌线程的队列尾部窃取任务执行这种上述两个类的父类ForkJoinTask他线程队列中的任务，从而实现更均衡机制有效平衡了工作负载，提高了利CPU的负载分配任务的执行遵循模式通过用率fork-join方法将任务分解为更小的子任务并fork特别适合处理可以递归分解工作窃取的优势在于减少了线程间的ForkJoinPool并行执行，然后通过方法合并结join为更小子任务的工作，如快速排序、归竞争，实现了工作的自动平衡，特别适果并排序、树遍历等合处理递归分解的并行计算任务异步编程CompletableFuture异步计算使用或方法创建异步任务，可以指定自定义线程池supplyAsync runAsync联合计算通过等方法链式处理结果thenApply,thenCombine,thenCompose异常处理使用或方法优雅处理异步计算过程中的异常exceptionally handle超时控制通过或方法实现任务超时控制orTimeout completeOnTimeout是引入的异步编程利器，它扩展了接口，提供了丰富的组合、转换CompletableFuture Java8Future和异常处理能力与传统的相比，它无需显式检查任务是否完成，可以通过回调机制自动处理Future结果，实现真正的非阻塞异步编程与结合使用，可以实现高效的并行数据处理例如，可以对集合中的CompletableFuture StreamAPI每个元素并行执行异步操作，然后收集结果这种组合为处理大量独立操作提供了强大的工具第六部分并发工具类除了基本的同步原语和执行器框架外，还提供了一系列实用的并发工具类和设计模式，帮助开发者构建高质量的并发应用本部Java分将深入探讨、并发设计模式以及引入的并发增强特性ThreadLocal Java9+这些工具和模式为解决特定的并发问题提供了优雅的解决方案，有效提升了代码质量和系统性能了解这些工具的原理和适用场景，对于开发复杂并发系统至关重要使用与实现ThreadLocal线程本地变量概念内部实现与内存泄漏应用场景提供了线程局部变量，它们不的实现原理每个对象的典型应用场景包括ThreadLocal ThreadLocalThread ThreadLocal是通过同步访问控制的，而是每个线程都有维护一个，用于存储该线ThreadLocalMap用户会话管理在应用中存储用户•Web自己的独立副本变量通常被程的所有本地变量对象作为ThreadLocal ThreadLocal身份信息设计为私有静态字段，用于将状态与线程关键，值是线程特定的对象事务管理存储当前事务上下文，避免联•潜在的内存泄漏风险使ThreadLocalMap跨多个方法传递参数的主要方法包括用的弱引用作为键，如果ThreadLocal ThreadLocal数据库连接保存线程专用的数据库连•对象被垃圾回收，键会变成ThreadLocal接设置当前线程的线程局部•setT value，但值仍然存在解决方案是在使用完null变量值日期格式化非线程•SimpleDateFormat后调用方法ThreadLocal remove安全，可为每个线程创建独立实例返回当前线程的线程局部变量值•get随机数生成为每个线程提供独立的移除当前线程的线程局部变••remove实例量Random创建具有初始值•withInitialSupplier的ThreadLocal并发编程中的设计模式不可变对象模式•对象创建后状态不可修改•所有字段final修饰，无setter方法•确保没有外部可见的改变对象状态的方法•适用场景无状态共享、值对象•优势无需同步即线程安全，可自由共享生产者-消费者模式•生产者创建任务，消费者执行任务•通过阻塞队列BlockingQueue实现解耦•合理使用可提高系统吞吐量•适用场景异步处理、任务分发•Java实现多线程+BlockingQueue线程池模式•预创建线程，重用线程资源•分离任务提交与执行•控制并发度，避免资源耗尽•适用场景需要执行大量短时任务•Java实现ExecutorService体系Future模式•异步调用返回Future对象•提交任务后可继续执行其他操作•需要结果时再通过Future获取•适用场景异步计算、并行任务•Java实现Future和CompletableFuture中的并发增强Java9+Flow APIStackWalker VarHandleJava9引入的响应式流API，提供异Java9引入的高效获取调用栈信息Java9引入的强大内存访问抽象，步数据处理的标准接口包含的API，允许在当前线程中以惰性提供对变量的各种访问模式，包括Publisher、Subscriber、方式访问和过滤调用栈帧相比传普通、volatile和原子访问它支Subscription和Processor四个主统方法Thread.getStackTrace，持细粒度的内存屏障控制，提供比要接口，支持背压机制，使发布者它提供更好的性能和更细粒度的控Unsafe更安全的低级操作，并且比能够适应消费者的处理速度，避免制，对并发调试和性能分析很有帮反射性能更好资源耗尽助增强的CompletableFutureJava9增强了CompletableFuture，添加了新方法completeOnTimeout、orTimeout、copy、newIncompleteFuture等这些改进提供了更好的超时控制和更灵活的异步任务创建方式，简化了复杂异步流程的处理第七部分并发编程最佳实践最小共享设计原则减少共享可变状态设计简单清晰的并发模型不变性尽可能使用不可变对象3监控与调优细粒度锁持续观察并优化性能4降低锁竞争提高并发度并发编程的最佳实践不仅关注技术实现，更要从项目架构和设计层面考虑良好的并发设计应遵循尽量简单的原则，避免过度工程化，保持代码的可读性和可维护性本部分将探讨性能优化与调优技巧、并发问题的调试方法，以及实际项目中的经验总结，帮助您在实践中构建高质量的并发应用性能优化与调优避免锁竞争锁竞争是并发性能的主要瓶颈减少竞争的策略包括降低锁的持有时间，减少锁的请求频率，使用粒度更细的锁替代粗粒度锁，以及在可能的情况下使用非阻塞算法实践中，应尽量将非共享数据的操作移出同步块，仅对共享数据的操作进行同步减少锁粒度将大锁拆分为多个小锁，可以显著提高并发度例如，通过分段锁技ConcurrentHashMap术，将整个集合的锁分解为多个段，每个段独立加锁在设计中，应识别独立的数据项，对它们使用不同的锁，允许更多并行访问非阻塞算法使用等非阻塞技术可以避免线程阻塞和上下文切换的开销的原子类和并发集合大量CAS Java采用了非阻塞算法在实际应用中，可以考虑使用替代保护的计AtomicInteger synchronized数器，或使用替代同步的ConcurrentLinkedQueue LinkedList参数调优JVM适当的参数配置对并发性能有显著影响关键参数包括堆大小设置，垃圾JVM-Xms,-Xmx收集器选择，线程栈大小，以及编译优化选项在高并发场景下，可-XX:+UseG1GC-Xss JIT以考虑使用或等低延迟垃圾收集器G1ZGC调试并发问题死锁检测竞态条件排查工具与技术死锁是并发编程中常见的严重问题，发竞态条件由不确定的线程执行顺序导常用的并发调试工具和技术生时多个线程互相等待对方持有的资致，使程序产生不一致的结果排查技生成线程转储•jstack Java源，导致程序无法继续执行检测方法巧监视线程、内存和使包括•jconsole CPU插入延迟放大问题•Thread.sleep用情况使用生成线程转储，查找•jstack添加详细日志，记录关键操作和状态•可视化性能分析和监控•VisualVM状态线程BLOCKED变化分析线程转储的专用•ThreadLogic在或中使用线程死•JConsole VisualVM使用捕获线•Java FlightRecorderJFR工具锁检测器程交互日志框架使用映射诊断上下•MDC通过•使用工具重复执行，暴•stress testing文关联线程活动ThreadMXBean.findDeadlockedThr露间歇性问题断言验证关键不变量和后置条件•编程方式检测eads代码审查，识别可能的原子性违反点•使用超时机制来避免无限等待•实战案例与总结45核心并发模型设计原则线程池模型、事件驱动模型、响应式模型和Actor简单性、最小共享、不变性、隔离性和防御性编程模型3平衡要素安全性、活跃性和性能三者的权衡高并发系统设计应关注整体架构，不仅是线程级别的优化关键策略包括水平扩展、数据分片、异步处理、缓存利用和限流降级在设计时，应优先考虑业务需求，选择合适的并发模型，避免过度工程化Java并发编程是一个不断发展的领域，建议持续学习更新的并发技术和最佳实践推荐资源《JavaConcurrency inPractice》、《Seven ConcurrencyModels inSeven Weeks》、Java官方文档以及GitHub上的优质开源项目如Disruptor、RxJava等感谢参加本课程！欢迎在QA环节中提问，探讨您在实际项目中遇到的并发问题。