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关于并发编程（1）

并发/并行、进程线程、协程、JMM、线程状态与通信等

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并发编程、多线程（1）：基础与线程安全

并行与并发

  • 并行（Parallelism）：多个任务在同一时刻真正执行，通常依赖多核 CPU 或多处理器。
  • 并发（Concurrency）：多个任务在同一时间段内交替推进。单核 CPU 可借助时间片轮转实现；多核场景也同样存在并发。

并发描述任务组织与推进方式；并行描述是否真的同时执行。二者不互斥。

严格来说，一个 CPU 核心同一时刻通常只执行一个执行流。操作系统调度器通过时间片切换，让多个线程看起来同时运行。

进程与线程

  • 进程：操作系统分配资源的基本单位；可理解为运行中的应用程序。
  • 线程：CPU 调度的基本单位，是进程内的执行流。
  • 同一进程的线程共享堆、方法区、文件等资源；每个线程有独立的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。

协程、虚拟线程与 Goroutine

  • 协程：用户态的轻量级执行单元，调度通常由语言运行时完成，切换成本低于内核线程。
  • Java 平台线程：通常与 OS 线程 1:1 映射。
  • Java 21 虚拟线程：由 JVM 将大量虚拟线程调度到少量载体线程上。遇到支持的阻塞 I/O 时可卸载，载体线程继续执行其他任务，适合高并发、I/O 密集型场景。
  • Go Goroutine：Go 运行时调度的轻量级协程；常配合 channel 通信。
go func() {
    fmt.Println("Hello from Goroutine")
}()

线程安全的三个核心性质

  • 原子性：操作不可分割，要么全部完成，要么不执行；例如锁、原子类可保证复合操作的原子性。
  • 可见性：一个线程修改共享变量后，其他线程能及时看到结果；volatile、锁均可提供可见性保证。
  • 有序性：程序执行顺序符合预期，避免指令重排序带来错误；volatile 和锁可建立内存屏障与 happens-before 关系。

死锁、活锁、饥饿属于活跃性问题，不是“有序性”的定义。

i++ 是原子操作吗？

不是。它通常包含：读取 i、加 1、写回三个步骤；多线程下可能发生丢失更新。

Java 内存模型（JMM）

JMM 是 Java 规范定义的抽象内存模型，规定多线程如何读写共享变量，并关注可见性、有序性和原子性。

  • 主内存：共享变量的逻辑存储位置。
  • 工作内存：线程使用共享变量副本的抽象概念，实际可映射到寄存器、缓存等硬件层次。

线程本地缓存可减少直接访问 RAM 的开销，但也会带来可见性问题，因此需要 volatile、synchronized、Lock 等同步机制。

线程通信方式

Java：共享内存 + 同步机制

线程可通过共享对象通信。一个线程写入共享变量后，另一个线程需要在正确的同步约束下读取到更新后的值。

常见方式：

  • volatile：保证单个变量读写的可见性与一定的有序性；不保证 i++ 这类复合操作原子性。
  • synchronized：互斥访问，同时保证可见性与有序性。
  • wait() / notify() / notifyAll()：协调线程执行；调用时必须持有对象监视器。wait() 会释放锁，唤醒后需重新竞争锁。
  • Condition：配合 ReentrantLock 实现更灵活的等待/通知。
  • Exchanger：两个线程在同步点交换数据。
  • 并发容器、阻塞队列、CompletableFuture 等高级工具。

Go：Channel 通信

Go 倡导“不要通过共享内存通信，而要通过通信共享内存”。channel 用于 Goroutine 间安全地传递数据；也可使用 mutex 保护共享状态。

线程的创建与启动

常见任务提交方式：

  1. 继承 Thread；
  2. 实现 Runnable；
  3. 实现 Callable 并通过 FutureTask 或线程池获取结果；
  4. 实际工程中优先使用线程池或虚拟线程执行器。
  • Runnable 无返回值、不能直接抛受检异常。
  • Callable<V> 有返回值，可抛出异常。

为什么用 start() 而非直接调用 run()？

start() 会请求 JVM 创建并调度新线程，再由新线程执行 run()；直接调用 run() 只是当前线程的一次普通同步方法调用，不会产生并发。

线程状态

Java Thread.State 包含：

  • NEW：已创建，未启动；
  • RUNNABLE：可运行（含就绪与运行）；
  • BLOCKED：等待获取 synchronized 监视器锁；
  • WAITING：无限期等待，如 Object.wait()、Thread.join()；
  • TIMED_WAITING：限时等待，如 sleep()、带超时的 wait()；
  • TERMINATED：执行结束。

上下文切换与守护线程

  • 上下文切换：CPU 保存当前线程状态并恢复另一线程状态的过程。频繁切换会带来调度、缓存失效等开销。
  • 守护线程（Daemon）：为用户线程提供后台服务的线程，如垃圾回收相关线程。所有非守护线程结束时，JVM 通常退出，不会等待守护线程完成。