Java多线程同步技术：保障并发环境下的数据一致性

# 1. Java多线程基础

多线程是Java编程中至关重要的概念，它允许应用程序同时执行多个任务，从而提高性能和响应能力。在Java中，多线程是通过创建和管理线程对象来实现的。每个线程都有自己的执行流，可以独立于其他线程运行。

**线程生命周期：**

- **新建（New）：**线程被创建但尚未启动。
- **可运行（Runnable）：**线程已启动，等待执行。
- **运行（Running）：**线程正在执行。
- **阻塞（Blocked）：**线程由于等待资源（如锁或I/O操作）而暂停执行。
- **死亡（Dead）：**线程已完成执行或被终止。

# 2. Java多线程同步机制

在多线程环境中，为了保证数据的完整性和一致性，需要使用同步机制来协调线程之间的访问。Java提供了多种同步机制，包括锁机制、原子操作和CAS机制。

### 2.1 锁机制

锁机制是Java中最常用的同步机制，它通过获取和释放锁来控制对共享资源的访问。Java提供了两种主要的锁类型：同步锁和互斥锁。

#### 2.1.1 同步锁和互斥锁

**同步锁**（synchronized）是Java中内置的锁机制，它通过关键字`synchronized`来实现。当一个线程获取了同步锁后，其他线程将被阻塞，直到该线程释放锁。同步锁可以保证同一时刻只有一个线程访问共享资源。

**互斥锁**（ReentrantLock）是Java提供的显式锁机制，它提供了比同步锁更细粒度的控制。互斥锁可以通过`lock()`方法获取，通过`unlock()`方法释放。互斥锁还支持可重入和公平锁等特性。

#### 2.1.2 可重入锁和读写锁

**可重入锁**允许同一个线程多次获取同一把锁，而不会造成死锁。这对于需要在多个嵌套代码块中访问共享资源的情况非常有用。

**读写锁**（ReadWriteLock）是一种特殊的锁机制，它允许多个线程同时读取共享资源，但只能有一个线程写入共享资源。这可以提高读操作的并发性，同时保证写操作的原子性。

### 2.2 原子操作

原子操作是指不可中断的、一次性完成的操作。Java提供了两种原子操作：`volatile`关键字和`AtomicInteger`类。

#### 2.2.1 volatile关键字

**volatile关键字**可以保证变量的可见性和有序性。当一个变量被声明为volatile时，对该变量的修改将立即对其他线程可见，并且修改的顺序与程序代码中指定的顺序一致。

#### 2.2.2 AtomicInteger类

**AtomicInteger类**提供了原子性的整型操作，包括`get()`、`set()`和`incrementAndGet()`等方法。这些方法保证了对整型变量的修改是原子性的，不会出现并发修改导致数据不一致的情况。

### 2.3 CAS机制

CAS（Compare-And-Swap）机制是一种无锁的同步机制，它通过比较和交换操作来更新共享变量。CAS操作的原理如下：

1. 读取共享变量的当前值。
2. 比较当前值与期望值是否相等。
3. 如果相等，则将新值写入共享变量。
4. 如果不相等，则说明共享变量已被其他线程修改，CAS操作失败。

#### 2.3.1 CAS操作的原理

CAS操作的伪代码如下：

public boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
    int currentValue = this.value;
    if (currentValue == expectedValue) {
        this.value = newValue;
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

#### 2.3.2 CAS的应用场景

CAS机制常用于以下场景：

* 更新计数器或其他共享变量
* 实现无锁并发队列
* 实现自旋锁或无锁哈希表

# 3.1 同步容器

#### 3.1.1 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 Java 中一种线程安全的哈希表，它