线程池（四）：并发编程常见问题解析

线程池（四）并发编程常见问题解析

一、synchronized和Lock的区别

语法层面

• synchronized：是Java中的关键字，通过在方法声明或代码块上使用来实现同步功能，语法相对简洁，例如：

public synchronized void method() {// 同步代码块
}

或者

Object lock = new Object();
public void anotherMethod() {synchronized (lock) {// 同步代码块}
}

• Lock：是Java.util.concurrent.locks包下的接口，需要通过实现类（如ReentrantLock）来使用，使用时需要显式地调用加锁和解锁方法，语法上相对繁琐一些，示例如下：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class LockExample {private Lock lock = new ReentrantLock();public void method() {lock.lock();try {// 同步代码块} finally {lock.unlock();}}
}

锁的获取与释放

• synchronized：当线程进入synchronized修饰的代码块或方法时，会自动获取锁；当代码执行完毕（正常执行结束或者抛出异常），会自动释放锁，无需手动干预。
• Lock：需要手动调用lock()方法获取锁，如果没有正确调用unlock()方法释放锁，可能会导致死锁等问题。通常建议在finally块中调用unlock()方法，以确保即使发生异常也能正确释放锁。

锁的特性

• synchronized：是可重入锁，即同一个线程在持有锁的情况下，可以再次进入该锁同步的代码块或方法。它是一种非公平锁，默认情况下，多个线程竞争锁时，无法保证等待时间最长的线程优先获取锁。
• Lock：以ReentrantLock为例，它也是可重入锁。同时，ReentrantLock可以通过构造函数指定是否为公平锁，如new ReentrantLock(true)创建的就是公平锁，公平锁会尽量保证等待时间最长的线程优先获取锁。

功能扩展

• synchronized：功能相对单一，主要用于实现基本的同步功能。
• Lock：提供了更多的功能，例如可以使用tryLock()方法尝试获取锁，在指定时间内获取不到锁时可以返回，避免线程无限期等待；还可以通过Condition接口实现更灵活的线程间通信，比synchronized配合wait()、notify()方法更加灵活。

二、死锁产生的条件

互斥条件

资源不能被共享，只能由一个进程或线程占用。例如，在多线程访问数据库连接时，一个数据库连接在同一时刻只能被一个线程使用，不能同时被多个线程共享使用。

占有且等待条件

一个进程或线程已经持有了至少一个资源，但又在等待其他资源。比如线程A已经持有了资源R1，同时又在等待获取资源R2才能继续执行。

不可剥夺条件

已经分配的资源不能从相应的进程或线程中被强制剥夺。即一个线程获取到的资源，在它主动释放之前，其他线程不能强行拿走。例如，线程B获取到了文件读写锁，在它完成操作释放锁之前，其他线程无法强制剥夺该锁。

循环等待条件

存在一个进程或线程资源的循环链，链中的每个进程或线程都在等待下一个进程或线程所占用的资源。比如线程A等待线程B占用的资源，线程B又等待线程C占用的资源，而线程C等待线程A占用的资源，形成一个循环等待的局面。

三、如何进行死锁诊断

查看线程堆栈信息

在Java中，可以通过jstack命令来查看线程的堆栈信息。当怀疑程序发生死锁时，首先使用jps命令找到Java进程的PID（进程ID），然后使用jstack <PID>命令查看该进程下所有线程的堆栈信息。如果存在死锁，jstack输出的信息中会有明确的提示，并且会列出发生死锁的线程以及它们各自等待的资源情况。

使用Java VisualVM

Java VisualVM是一款功能强大的可视化性能分析工具。可以通过它连接到运行中的Java程序，在“线程”标签页中查看线程的状态。如果发生死锁，它会自动检测并在界面上显示出死锁的相关信息，包括死锁的线程、线程等待的资源等，方便开发者定位和分析问题。

代码层面的日志和监控

在编写多线程程序时，可以在关键的加锁、解锁以及资源获取等位置添加详细的日志记录，记录线程的操作和资源占用情况。通过分析日志，可以了解线程的执行流程和资源竞争情况，从而发现潜在的死锁问题。同时，也可以实现一些简单的监控机制，定期检查线程的状态和资源占用情况，当发现异常的资源等待或循环等待情况时，及时报警提示可能存在死锁风险。

四、ConcurrentHashMap

JDK1.7中ConcurrentHashMap

• 数据结构：JDK 1.7中的ConcurrentHashMap采用了“分段锁”的设计思想。它内部由一个Segment数组组成，每个Segment相当于一个小的哈希表，Segment继承自ReentrantLock，起到锁的作用。每个Segment保护若干个HashEntry数组，HashEntry是存储实际数据的节点。
• 原理：当进行写操作（如put操作）时，首先根据key的哈希值计算出对应的Segment，然后对该Segment加锁，再进行数据插入或更新操作。读操作（如get操作）时，由于HashEntry的value和next引用都被声明为volatile，所以无需加锁就可以保证读取到最新的值。这种分段锁的设计允许多个线程同时对不同的Segment进行写操作，提高了并发性能。

JDK1.8中ConcurrentHashMap

• 数据结构：JDK 1.8对ConcurrentHashMap进行了改进，不再使用分段锁，而是采用了数组 + 链表 + 红黑树的结构。当链表长度达到一定阈值（默认8）时，会将链表转换为红黑树，以提高查找效率。
• 原理：在进行写操作时，首先根据key的哈希值计算出对应的数组下标，如果该位置没有元素，就直接通过CAS操作插入元素；如果该位置是链表结构，就对链表头节点加锁进行插入或更新操作；如果是红黑树结构，就对红黑树的根节点加锁进行操作。读操作基本无锁，通过volatile保证数据的可见性。相比JDK 1.7，JDK 1.8的ConcurrentHashMap在减少锁的粒度、提高并发性能和空间利用率等方面都有进一步的优化。

五、导致并发程序出现问题的根本原因

原子性

• 概念：原子性是指一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。在并发环境下，多个线程可能会同时访问和修改共享变量，如果对共享变量的操作不是原子性的，就可能导致数据不一致的问题。例如，对于i++这样的操作，在底层实际上是由读取、加1、写入三个步骤组成，不是原子操作。当多个线程同时执行i++时，就可能出现不同线程读取到相同的i值，然后都进行加1操作，最终导致结果错误。
• 解决方式：可以使用synchronized关键字或者Lock接口来对共享变量的操作进行同步，保证在同一时刻只有一个线程能够对共享变量进行操作；也可以使用Java并发包中的原子类（如AtomicInteger），这些原子类通过CAS等机制保证了对变量操作的原子性。

内存可见性

• 概念：在Java内存模型中，每个线程都有自己的工作内存，线程对共享变量的操作是在自己的工作内存中进行的。当一个线程修改了共享变量的值后，不会立即将其写回到主内存中，其他线程读取这个共享变量时，可能读取到的还是旧值，这就导致了内存可见性问题。
• 解决方式：使用volatile关键字修饰共享变量，volatile可以保证被修饰的变量在被一个线程修改后，能够立即被其他线程看到最新的值；也可以通过加锁（如synchronized、Lock）的方式，在释放锁时将工作内存中的变量值写回到主内存，获取锁时从主内存中读取最新值，从而保证内存可见性。

有序性

• 概念：为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令进行重新排序。在单线程环境下，指令重排序不会影响程序的最终结果，但在多线程环境下，可能会导致程序出现错误的结果。例如，在一个线程中对共享变量的初始化操作和赋值操作如果被重排序，可能会导致其他线程读取到未初始化的值。
• 解决方式：使用volatile关键字可以禁止指令重排序；也可以通过加锁（如synchronized、Lock）的方式，因为锁的获取和释放操作会形成一个内存屏障，保证在锁内的操作按照顺序执行，从而保证有序性。