阿里巴巴Java并发编程实践：掌握规范，优化性能（专家指南）


参考资源链接：[阿里巴巴Java编程规范详解](https://wenku.csdn.net/doc/646dbdf9543f844488d81454?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Java并发编程基础

## 1.1 并发编程的重要性
在现代软件开发中，能够合理地处理多任务同时执行的能力是至关重要的。Java并发编程提供了一套API和语言特性，使得开发者能够构建高效且响应迅速的程序。随着多核处理器的普及，有效地利用并发可以显著提升应用程序的性能和吞吐量。

## 1.2 线程基础
Java中的并发编程基础之一是线程的使用。线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。Java通过`Thread`类和`Runnable`接口来提供线程的创建和控制。实现`Runnable`接口或继承`Thread`类是创建线程的两种主要方式。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 任务代码
    }
}

// 创建并启动线程
MyThread t = new MyThread();
t.start();

## 1.3 并发问题的挑战
虽然并发编程能够带来巨大的性能提升，但同时也引入了诸多挑战，如死锁、竞态条件、线程安全等问题。理解这些基本问题并找到解决方法是每个并发程序员必须掌握的技能。例如，在多线程环境下访问共享资源时，必须确保线程安全，否则会导致数据的不一致性和不可预见的行为。通过同步机制和并发控制手段，开发者可以减少这些问题的发生概率，保证程序的正确性和高效性。

# 2. 并发编程核心理论与机制

### 2.1 线程的生命周期与状态

#### 2.1.1 线程状态转换详解

在Java中，线程的生命周期从创建到终止，会经历多种状态。线程状态的转换是并发编程中一个非常重要的概念。Java线程的五种基本状态包括：新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)以及死亡(Dead)。

- **新建(New)**: 当线程对象被创建时，它即处于新建状态。此时，仅由JVM为其分配内存，并初始化其成员变量的值。
- **就绪(Runnable)**: 调用线程的`start()`方法后，线程进入就绪状态。处于就绪状态的线程已具备执行条件，正在等待CPU分配时间片。
- **运行(Running)**: 当CPU分给线程时间片，线程就进入运行状态，开始执行`run()`方法中的代码。
- **阻塞(Blocked)**: 线程执行过程中，若因为某些原因无法继续执行，比如等待获取锁，线程就会进入阻塞状态。
- **死亡(Dead)**: 线程的`run()`方法正常执行完毕，或者因异常退出，线程就进入死亡状态。线程一旦死亡，就不能再次启动。

public class ThreadLifeCycleDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            // 此处的代码即为线程执行体
        });
        System.out.println("新建状态: " + thread.getState()); // 新建状态
        thread.start();
        System.out.println("就绪状态: " + thread.getState()); // 就绪状态
        // 其他代码，例如让线程进入阻塞或运行状态
    }
}

上述代码中，创建线程后，线程处于新建状态。调用`start()`方法后，线程进入就绪状态等待CPU调度。在Java中无法直接强制线程进入运行状态，因为这是由操作系统决定的。

#### 2.1.2 线程调度与优先级管理

线程调度器是JVM中负责管理线程生命周期的部分，它控制哪些线程得到CPU时间，以及在何时得到。线程的优先级是Java线程调度的一个重要指标，可以通过`setPriority(int newPriority)`方法来设置线程的优先级。

线程优先级的有效范围是1（最小优先级）到10（最大优先级）。默认情况下，每个线程都有一个优先级5。高优先级的线程获得更多的CPU时间片，但这并不保证线程会按照优先级顺序执行，因为Java的线程调度器是不确定性的。

Thread thread = new Thread(() -> {
    // 执行线程任务
});
thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置线程优先级为最高
thread.start();

在实际编程中，过多地依赖线程优先级来管理线程可能会导致复杂的线程调度问题，因此在设计并发程序时，应谨慎使用线程优先级。

### 2.2 同步机制的原理与应用

#### 2.2.1 Synchronized关键字与锁

Synchronized是Java中用于控制多线程对共享资源互斥访问的内置锁机制。关键字synchronized可以应用于方法或者代码块上，保证同一时刻只有一个线程可以访问该方法或代码块中的资源。

- 当synchronized作用于方法时，整个方法被锁，即称为同步方法。
- 当synchronized作用于代码块时，需要指定锁对象，只有持有锁对象的线程才能访问代码块中的内容。

public class SynchronizedExample {
    private final Object lock = new Object();

    public void synchronizedMethod() {
        synchronized (this) {
            // 同步方法或代码块中的代码
        }
    }

    public void methodWithLockObject() {
        synchronized (lock) {
            // 使用lock对象作为锁
        }
    }
}

这里`methodWithLockObject`方法使用了一个锁对象`lock`来同步代码块中的内容，这使得任何时刻只有一个线程能够执行同步代码块。

synchronized的锁是由对象头中的Mark Word实现的，当锁对象作为监视器时，它会关联一个监视器（monitor），线程必须先获取这个监视器才能访问同步代码块或方法。Java虚拟机会自动释放监视器，比如在方法返回时或者在异常抛出时。

#### 2.2.2 Lock接口与可重入锁

除了synchronized关键字之外，Java提供了显式的锁机制，通过`java.util.concurrent.locks.Lock`接口提供了更高级的线程同步特性。与内置锁不同的是，使用`Lock`可以提供尝试获取锁、可中断的锁获取等特性。

`ReentrantLock`是`Lock`接口的一个常用实现，它支持可重入锁特性，即线程可以重复获取已经持有的锁，这样的特性可以防止线程在调用同一个对象中的同步方法时发生死锁。

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

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

    public void methodWithReentrantLock() {
        lock.lock(); // 尝试获取锁
        try {
            // 在这里执行需要线程同步的代码
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }
}

在`methodWithReentrantLock`方法中使用了`ReentrantLock`来控制线程对代码块的同步访问。与synchronized不同，`ReentrantLock`需要程序员手动释放锁，这通过try/finally结构实现，确保锁能被正确释放。

#### 2.2.3 volatile关键字的作用与原理

`volatile`是Java中的一个关键字，它可以用来修饰变量。`volatile`的特性包括：保证此变量对所有线程的可见性、禁止指令重排序。

- 当一个变量被声明为`volatile`时，它就具备了线程可见性，即当一个线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是立即可见的。
- `volatile`可以禁止编译器和处理器对变量相关操作进行指令重排序。

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlag(boolean value) {
        flag = value;
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }
}

在上述例子中，对`flag`变量的修改是通过一个volatile关键字声明的，保证了其他线