并发编程一

藏冰 · 2026-05-18 23:43:34 发布

并发编程核心知识点笔记

这是并发编程最容易混淆的两个概念，也是理解一切的起点：

并行：同一时刻，多个线程/进程在不同CPU核心上同时执行，彼此之间没有资源竞争，互不干扰。例如：8核CPU同时运行8个独立的计算任务。
并发：同一时间段内，多个线程/进程在单个或多个CPU核心上交替执行，本质是CPU通过时间片轮转实现"同时运行"的假象，必然存在资源竞争问题。例如：单核CPU同时处理浏览器、音乐播放器和编辑器三个程序。

核心区别：并行是"真同时"，依赖多核硬件；并发是"假同时"，依赖操作系统的调度算法。

所有并发问题的根源，都来自于计算机硬件的物理限制：

电信号的串行本质：CPU内部的指令是高低电压信号（高=1，低=0），电压信号无法同时传输，必须排队执行。计算机所有硬件（CPU、内存、硬盘、网卡）之间的指令传输都遵循这一规则，任何一个硬件同一时间只能执行一个任务。
总线竞争：系统总线是连接各个硬件的"高速公路"，同一时间只能有一个设备占用总线传输数据，这是硬件层面的资源竞争。
高速缓存的双刃剑：
- 作用：解决CPU运算速度与内存读写速度的巨大差距，将常用数据缓存到CPU高速缓存（L1/L2/L3），大幅提高CPU利用率。
- 问题：多个CPU核心的高速缓存之间会出现数据不一致（相互覆盖），这是可见性问题的硬件根源。
- 缓存行：高速缓存的最小存储单位是64字节，这意味着即使只修改1个字节，也会加载整个64字节的缓存行，可能导致"伪共享"问题。

所有编程语言的线程模型都基于操作系统的原生线程，核心状态统一：

新建态：线程对象已创建，但未调用start()方法。
就绪态：调用start()后，线程进入就绪队列，等待CPU调度。注意：进入就绪态的顺序不等于被CPU选中的顺序，操作系统会根据调度算法选择。
运行态：CPU分配时间片给该线程，开始执行代码。
阻塞态：线程因等待资源（锁、IO、sleep）而暂停执行，被移出就绪队列。
死亡态：线程执行完毕或抛出未捕获异常，生命周期结束。

关键：方法拷贝入栈是操作系统层面的行为，与编程语言无关。

这是多线程编程最主要的性能开销来源：

定义：CPU从一个线程切换到另一个线程时，需要保存当前线程的执行上下文（程序计数器、寄存器状态、栈信息），然后加载下一个线程的上下文。
时间损耗：单次上下文切换耗时约几毫秒到几十毫秒，操作系统给每个线程分配的时间片通常也是这个量级。
测量工具：
- Lmbench3：精确测量上下文切换的时长
- vmstat：实时统计系统上下文切换的次数（输出中cs列）
减小上下文切换的方法：
1. 无锁并发编程：通过数据分区避免资源竞争
2. CAS算法：用乐观锁替代悲观锁，减少阻塞
3. 使用最少线程：避免创建过多线程导致频繁切换
4. 使用协程：用户态的轻量级线程，切换无需操作系统参与

多线程不是银弹，只有在特定场景下才能提升性能：

IO密集型任务：非常适合多线程。例如：文件读写、网络请求、数据库操作。因为IO操作时CPU处于空闲状态，多线程可以让CPU在等待IO时处理其他任务，大幅提高CPU利用率。
CPU密集型任务：不适合多线程。尤其是单核CPU，串行执行是最快的，多线程只会带来上下文切换的额外开销。即使是多核CPU，线程数也不应超过CPU核心数。

作用：让调用线程等待目标线程执行完毕后再继续执行。

t1.start();
t2.start();
t1.join(); // 主线程阻塞，等待t1执行完
t2.join(); // 主线程继续阻塞，等待t2执行完

注意：上述代码中t1和t2是并行执行的，因为t2.start()在t1.join()之前调用。join()只会阻塞调用它的主线程，不会影响已经启动的其他线程。

Java中最基础的悲观锁实现：

锁的对象：只能对引用类型加锁，基本类型无法加锁（因为基本类型存储在栈中，没有对象头）。
锁的范围：锁会保护整个同步代码块（大括号内的所有内容），只有当代码块执行完毕后才会释放锁。即使线程调用sleep()进入睡眠状态，也不会释放锁。
特性：保证原子性、可见性和有序性，是"重量级"的同步机制。

这是面试高频考点，核心区别在于是否释放锁：