1. 核心设计原则：这些是指导我们思考和设计并发程序的根本思想。
2. 常用设计模式：这些是针对特定并发问题的、可复用的解决方案。
3. 实践与工具：结合 Java 并发工具包，谈谈如何应用这些原则和模式。

核心设计原则

并发编程的复杂性远超单线程,因此必须遵循一些基本原则来避免灾难性的后果。

安全性原则

目标：确保程序在并发环境下始终表现出正确、可预期的行为。

• 原子性

  • 定义：一个或多个操作，要么全部执行且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行，经典例子：银行转账，从A账户扣款并转入B账户，这两个操作必须作为一个整体，不能只执行一半。
  • Java中的实现：
    • synchronized 关键字：可以确保一个代码块或方法的原子性。
    • java.util.concurrent.atomic 包下的原子类（如 AtomicInteger, AtomicReference）：利用硬件指令（如 CAS）实现原子操作。
    • Lock 接口（如 ReentrantLock）的 lock() 和 unlock() 之间的代码块。

• 可见性

  • 定义：当一个线程修改了一个共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改，由于 Java 内存模型 的存在，线程有自己的工作内存，变量的值需要从主内存同步到工作内存，修改后再写回主内存，可见性问题就发生在这个同步过程中。
  • Java中的实现：
    • volatile 关键字：确保了新值能立即同步到主内存，并且每次使用前都会从主内存刷新，它不保证原子性，但保证了可见性和禁止指令重排序。
    • synchronized 关键字：在解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存；在加锁时，会清空工作内存，从主内存重新加载共享变量。
    • final 关键字：被 final 修饰的字段，在构造函数完成之后，它的值对于其他所有线程都是可见的。

• 有序性

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 定义：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行，编译器和处理器为了优化性能，可能会对指令进行重排序，在单线程中，重排序不会影响结果，但在多线程中，可能会导致意想不到的问题。
  • Java中的实现：
    • volatile 关键字：禁止指令重排序。
    • synchronized 关键字：一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock/unlock 操作，这使得持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入，从而保证了有序性。
    • happens-before 原则：这是 JMM 中最重要的原则，定义了内存可见性的保证，前一个操作（ unlock ）的 happens-before 于后一个操作（ lock ）。

活性原则

目标：确保并发程序能够“动起来”，不会因为死锁、饥饿等问题而永远阻塞。

• 避免死锁

  • 定义：两个或多个线程因争夺资源而造成的一种互相等待的僵局，若无外力作用，它们都将无法向前推进。
  • 产生条件（四个必须同时满足）：
    1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个线程使用。
    2. 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
    3. 不可剥夺条件：线程已获得的资源，在未使用完之前，不能被强行剥夺。
    4. 循环等待条件：存在一种线程资源的循环等待链。
  • 预防策略：
    • 破坏请求与保持条件：一次性申请所有需要的资源。
    • 破坏不可剥夺条件：允许线程强行剥夺其占用的资源。
    • 破坏循环等待条件：对资源进行排序，所有线程按固定顺序申请资源（最常用且有效的方法）。

• 避免饥饿

  • 定义：一个线程由于无法获得所需的资源，导致一直无法执行。
  • 原因：通常是因为锁的“不公平性”。synchronized 是非公平的，一个线程可能长时间获取不到锁。
  • 解决方案：使用公平锁，如 ReentrantLock(true)，但公平锁会牺牲一定的吞吐量。

• 避免活锁

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 定义：线程没有阻塞，但都在互相谦让，导致谁也无法继续执行，比如两个人在狭路相逢，都想给对方让路，结果来回躲闪，谁也过不去。
  • 解决方案：引入随机性或等待时间，让一方“坚持”一下。

性能与可伸缩性原则

目标：在保证安全性和活性的前提下，尽可能提高程序的吞吐量和响应速度。

• 减少锁的粒度

  • 思想：锁的范围越小，竞争就越少，性能就越好，不要用一个巨大的锁来保护所有数据，而是为不同的数据段使用不同的锁。
  • 示例：ConcurrentHashMap 使用分段锁（在 Java 8 中优化为 CAS + synchronized），只对哈希冲突的桶进行加锁，而不是整个表。

• 减少锁的持有时间

  • 思想：在 synchronized 块或 lock() 中只执行必要的同步代码，尽量将耗时操作（如 I/O、复杂计算）移到同步块之外。

  • 示例：

    // 错误示例：锁持有时间过长
    synchronized (lock) {
        list.add(item); // 假设这个操作很快
        doSomeSlowIO(); // 耗时的 I/O 操作
    }
    // 正确示例：减少锁持有时间
    synchronized (lock) {
        list.add(item);
    }
    doSomeSlowIO();

• 避免锁的粗化

  • 思想：JVM 会进行锁粗化优化，将连续的、对同一个对象的锁操作合并成一个更大范围的锁，但在某些场景下，我们可能需要相反的操作，即显式地缩小锁的范围，尤其是在循环中。

  • 示例：

    // 错误示例：在循环内加锁
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        synchronized (lock) {
            list.add(i);
        }
    }
    // 正确示例：将锁移到循环外（锁粗化）
    synchronized (lock) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(i);
        }
    }

    注意：这个例子展示了 JVM 的优化方向，但程序员应编写清晰、逻辑正确的代码，过度依赖优化有时会适得其反。

• 读写分离

  • 思想：对于“读多写少”的场景，使用读写锁，允许多个线程同时读取共享数据，但写操作是互斥的。
  • 实现：java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock。

常用设计模式

并发模式是解决特定并发问题的经典方案。

线程池模式

• 目标：重用已创建的线程，避免频繁创建和销毁线程带来的性能开销，控制系统中并发线程的数量，防止耗尽系统资源。
• 核心角色：
  • 任务：实现了 Runnable 或 Callable 接口的对象。
  • 任务队列：用于存放等待执行的任务，通常是 BlockingQueue。
  • 工作线程：从任务队列中取任务并执行。
  • 线程池管理器：创建和管理线程池。
• Java 实现：java.util.concurrent.Executor 框架，核心是 ThreadPoolExecutor。
  • 固定大小线程池：Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)
  • 单例线程池：Executors.newSingleThreadExecutor()
  • 缓存线程池：Executors.newCachedThreadPool() (线程数量可动态增长)
  • 定时任务线程池：Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

生产者-消费者模式

• 目标：将“数据的创建者”（生产者）和“数据的处理者”（消费者）解耦，它们通过一个共享的缓冲区（队列）进行通信。
• 优点：
  • 解耦：生产者和消费者无需知道彼此的存在。
  • 平衡负载：生产者可以快速生产，消费者可以慢慢消费，反之亦然，队列起到了缓冲作用。
  • 并发控制：通过队列的容量，可以限制生产者的速度，防止系统过载。
• Java 实现：
  • 核心：java.util.concurrent.BlockingQueue (如 ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue)。
  • 生产者 put() 数据到队列，消费者 take() 数据，这两个操作都是阻塞的，完美契合模式需求。

Immutable Object (不可变对象) 模式

• 目标：创建一个一旦创建后，其状态就不能被修改的对象。
• 优点：
  • 线程安全：无需同步，因为对象的状态不可变，自然就不会有数据竞争。
  • 简单可靠：无需担心对象在多线程环境下被意外修改。
• Java 实现：
  • 将类声明为 final，防止被继承。
  • 所有字段声明为 private final。
  • 不提供任何修改对象状态的方法（如 setXXX）。
  • 如果需要返回一个“修改后”的对象，返回一个新的对象实例。
  • 示例：String, Integer 等包装类。

Balking Pattern (犹豫模式)

• 目标：当某个线程发现某个状态不符合执行条件时，就立即放弃执行，而不是等待。
• 适用场景：一个操作只需要在特定状态下执行一次，或者由特定线程执行。
• 经典示例：java.util.Properties 的 store() 和 load() 方法，如果底层的 OutputStream 或 InputStream 已经被修改过（比如通过 setProperty），再次调用 store() 会直接返回，因为数据已经“脏”了，不应该覆盖。
• 实现要点：通常使用 synchronized 块来检查和修改状态，确保状态检查的原子性。

Thread-Per-Message Pattern (线程 per 消息 模式)

• 目标：为每个请求（消息）分配一个独立的线程来处理它。
• 优点：并发处理能力强，请求处理速度快，因为主线程不会被阻塞。
• 缺点：资源消耗大，如果请求量巨大，可能会导致系统崩溃。
• 适用场景：需要快速响应的 Web 服务器，每个 HTTP 请求由一个线程处理。

Worker Thread Pattern (工作者线程模式)

• 目标：与线程池模式非常相似，它有一组固定的工作线程，从一个任务队列中获取任务并执行。
• 与线程池模式的区别：更侧重于任务的“排队”和“分配”过程，线程池是实现工作者线程模式的一种常用技术。
• 示例：Web 服务器中的请求处理池。

Two-Phase Termination Pattern (两阶段终止模式)

• 目标：安全地终止一个正在运行中的线程。
• 问题：直接调用 Thread.stop() 方法已被废弃，因为它不安全，会导致线程持有的锁被突然释放，造成数据不一致。
• 解决方案：
  1. 第一阶段（请求终止）：设置一个“终止标志”（如 volatile boolean isShutdown），工作线程在每次循环开始时检查这个标志，如果为 true，则准备退出。
  2. 第二阶段（清理资源）：工作线程在退出前，执行必要的清理操作（如关闭文件、网络连接等）。
• 实现要点：必须使用 volatile 或 synchronized 来确保终止标志的可见性。

实践与工具

理解了原则和模式,最终要落实到 Java 的具体 API 上。

• java.util.concurrent 包：这是 Java 并发编程的基石，提供了大量高质量的并发工具。

  • 原子类：AtomicInteger, AtomicReference 等，用于实现无锁算法。
  • 并发集合：ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList, ConcurrentLinkedQueue，它们内部使用了复杂的算法（如 CAS、分段锁、写时复制）来保证线程安全和高性能。
  • 同步器：CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, Phaser，它们是用于协调多个线程之间合作的强大工具。
    • CountDownLatch：让一个或多个线程等待其他线程完成一组操作。
    • CyclicBarrier：让一组线程到达一个屏障时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，所有线程才会继续执行。
    • Semaphore：控制同时访问某个特定资源的线程数量。
  • Executor 框架：如前所述，是管理线程池的核心。

• java.util.concurrent.locks 包：

  • Lock 接口：比 synchronized 更灵活，提供了可中断的锁获取、尝试非阻塞获取锁、超时获取锁等功能。
  • ReadWriteLock：读写锁，适用于读多写少的场景。
  • StampedLock：Java 8 引入，是 ReadWriteLock 的一个改进，提供了乐观读模式，在读竞争远大于写竞争时性能更好。

在编写并发代码时,应始终遵循“最小化同步范围”和“优先使用并发工具而非同步块”的原则，先有清晰的并发模型（遵循原则），再选择合适的模式或工具去实现它，这样才能构建出健壮、高效的并发应用。