【Java并发编程】：6种线程同步策略，确保大数阶乘计算的稳定性

# 1. Java并发编程基础与线程安全问题

在当今多核处理器日益普及的时代，利用并发编程提升应用程序的性能和响应速度已经成为软件开发的重要方向。Java作为一种广泛使用的编程语言，提供了强大的并发工具库和底层支持。然而，随着并发程度的提升，线程安全问题也日益凸显，成为开发者必须重视的问题。

## 1.1 Java并发编程概述

Java并发编程允许开发者通过多线程和多进程的方式来同时执行多个任务，从而充分利用多核处理器的计算能力。Java提供了丰富的并发API，从低级的线程创建和同步控制，到高级的并发集合、执行器框架和并发工具类，为并发编程提供了全面的支持。

## 1.2 线程安全的重要性

线程安全是指当多个线程访问一个类时，这个类始终能表现出正确的行为。在多线程环境下，如果没有适当的同步机制，就可能出现数据竞争和条件竞争等问题，导致程序运行时产生不可预测的结果。线程安全问题可能造成程序崩溃、数据损坏甚至安全漏洞。

## 1.3 常见线程安全问题

常见的线程安全问题包括：

- 数据竞争：多个线程同时访问和修改同一数据，导致数据不一致。
- 条件竞争：线程执行的顺序导致了不一致的结果。
- 死锁：两个或多个线程相互等待对方释放资源，造成无限等待。

为了理解线程安全的基础，接下来的章节我们将深入探讨Java中线程同步的策略，从而为解决线程安全问题打下坚实的基础。

# 2. Java中线程同步的6种策略

在现代多核处理器架构下，多线程编程已经成为构建高性能应用不可或缺的一部分。正确的线程同步策略不仅关乎程序的执行效率，更是程序稳定性的关键。在本章节中，我们将深入探讨Java中线程同步的六种策略，包括基于关键字`synchronized`的同步、使用显式锁`Lock`、并发集合及原子变量的利用等。每一个策略都是解决线程安全问题的利器，但每个策略都有其适用场景和潜在的利弊。

## 2.1 基于关键字synchronized的同步

### 2.1.1 synchronized的基本用法

`synchronized`关键字是Java语言提供的最基本的线程同步机制。它能够保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某段代码。这种机制常用于防止多个线程同时访问共享资源，从而避免数据不一致的问题。

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }

    public int getCount() {
        synchronized (this) {
            return count;
        }
    }
}

在上述示例中，`increment`和`getCount`方法都被`synchronized`关键字修饰。这意味着当一个线程正在执行`increment`方法时，其他线程无法同时执行该方法或者`getCount`方法。同样的规则也适用于`getCount`方法。

### 2.1.2 synchronized的锁升级过程

`Java`虚拟机(JVM)为`synchronized`实现提供了一套精巧的锁升级机制，包括无锁、偏向锁、轻量级锁以及重量级锁。这四种状态会随着竞争情况逐渐升级，但一旦升级后就不再降级。

- **无锁**：没有线程竞争。
- **偏向锁**：在只有单个线程执行同步块时，减少锁的开销。
- **轻量级锁**：当多个线程竞争同一个锁时，JVM会首先尝试使用轻量级锁。
- **重量级锁**：当轻量级锁的竞争加剧时，会升级为重量级锁。

这种锁升级的机制，让`synchronized`在不同竞争激烈程度的场景下都能保持较好的性能。

### 2.1.3 synchronized与死锁的预防

死锁是多线程中常见的一种问题，当两个或多个线程相互等待对方释放锁时，就会发生死锁。`synchronized`本身并不防止死锁，预防死锁需要合理设计锁定的顺序，并且避免获取多个锁时出现循环等待。

// 预防死锁的典型策略：按固定顺序获取锁
if (Thread.holdsLock(lock1)) {
    synchronized(lock2) {
        // 执行相关操作
    }
} else {
    synchronized(lock2) {
        synchronized(lock1) {
            // 执行相关操作
        }
    }
}

在处理多锁问题时，始终按照相同的顺序来获取锁，可以有效避免死锁。

## 2.2 使用显式锁Lock

### 2.2.1 Lock接口的使用

`java.util.concurrent.locks.Lock`接口提供了一种比`synchronized`更灵活的锁机制。它允许更细粒度的锁定控制，同时提供了多种实现，如`ReentrantLock`。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void performActions() {
        lock.lock();
        try {
            // 临界区: 多个线程需要互斥访问的代码区域
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

`Lock`接口通过`lock()`和`unlock()`方法来控制访问。上述代码中，我们在`try`块中执行临界区代码，保证即使出现异常，`finally`块也会执行`unlock()`释放锁。

### 2.2.2 ReentrantLock详解

`ReentrantLock`是一个可重入的互斥锁，它具备与`synchronized`相同的并发性和内存语义，同时它还提供了公平锁的机制。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 创建一个公平锁

public void performActions() {
    if (lock.tryLock()) {
        try {
            // 临界区
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } else {
        // 处理获取锁失败的情况
    }
}

通过构造函数中的布尔值参数，可以选择创建公平锁或者非公平锁。公平锁会按照请求的顺序释放锁，而非公平锁则没有这个保证。

### 2.2.3 锁的条件变量Condition

`Condition`是`Lock`接口的一个重要功能，它提供了一种比Object监视器方法更灵活的方式来处理线程间的通信。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private boolean ready = false;

    public void produce() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (ready) {
                condition.await();
            }
            // 生产数据
            ready = true;
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (!ready) {
                condition.await();
            }
            // 消费数据
            ready = false;
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

通过`condition.await()`和`condition.signal()`方法，我们可以实现消费者和生产者模型，更细致地控制线程间的交互。

## 2.3 利用并发集合和原子变量

### 2.3.1 并发集合概述及适用场景

Java提供了大量并发集合，如`ConcurrentHashMap`、`CopyOnWriteArrayList`等。这些集合在保证线程安全的同时，提供了比传统集合更好的并发性能。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
    private final ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

    public void put(String key, String value) {
        map.put(key, value);
    }

    public String get(String key) {
        return map.get(key);
    }
}

`ConcurrentHashMap`使用分段锁技术，使线程可以同时访问不同的分段，从而实现高度的并发访问。

### 2.3.2 原子变量的高级用法

原子变量类位于`java.util.concurrent.atomic`包中，如`AtomicInteger`、`AtomicLong`和`AtomicReference`等。这些类利用底层硬件提供的原子指令，提供了一种无锁的线程安全方式。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerExample {
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }