并发编程是指在多线程环境下运行代码，以便多个任务能够同时执行。在多核处理器时代，并发编程能够显著提高应用程序的性能和响应能力。然而，并发编程也带来了数据竞争、死锁、资源共享等复杂问题。如果处理不当，这些问题可能导致程序行为不确定、数据损坏，甚至系统崩溃。
1. 并发问题的基本概念
1.1 数据竞争
数据竞争发生在多个线程同时读写同一内存位置，而至少一个操作是写操作。如果没有适当的同步机制，不同线程的操作可能会相互覆盖，导致数据不一致。
1.2 死锁
死锁是指两个或多个线程相互等待对方持有的资源，导致这些线程无法继续执行，从而使程序进入僵局。死锁通常发生在多个线程同时竞争多个资源时。
1.3 饥饿和活锁
饥饿：某个线程长时间得不到所需的资源，导致它无法继续执行。活锁：线程不断变换状态，但无法推进，类似于死锁，但不同的是活锁中的线程总是在做出进展的尝试。
2. 解决并发问题的常见技术
2.1 使用锁机制
锁机制是解决数据竞争的最常见方法。锁通过确保在任一时刻，只有一个线程能够访问共享资源，从而避免数据不一致问题。
互斥锁（Mutex）：在Java中，synchronized关键字和ReentrantLock类是实现互斥锁的主要方式。synchronized用于保护代码块或方法，确保在同一时间只有一个线程执行代码块或方法。ReentrantLock提供了更灵活的锁定机制。
public class Counter {
private int count = 0;
private final Object lock = new Object();
public void increment() {
synchronized (lock) {
count++;
}
}
public int getCount() {
synchronized (lock) {
return count;
}
}
}
读写锁（ReadWriteLock）：ReadWriteLock允许多个线程同时读取共享资源，但在写入时，只有一个线程能够持有写锁，其他线程都被阻塞。这种锁机制提高了读操作多、写操作少的场景下的并发性能。
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteCounter {
private int count = 0;
private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public void increment() {
lock.writeLock().lock();
try {
count++;
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
public int getCount() {
lock.readLock().lock();
try {
return count;
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
}
2.2 无锁编程（Lock-Free Programming）
无锁编程使用原子操作来管理并发，避免了锁竞争，提高了并发性能。在Java中，java.util.concurrent.atomic包提供了一些原子类，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等，用于无锁的线程安全操作。
原子操作：原子操作是不可分割的操作，即使在多线程环境下也能够保证操作的完整性。例如，AtomicInteger类提供了incrementAndGet()方法，可以在没有锁的情况下安全地递增整数值。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicCounter {
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
count.incrementAndGet();
}
public int getCount() {
return count.get();
}
}
2.3 线程协调（Thread Coordination）
线程之间的协调是指控制线程之间的执行顺序或依赖关系，以避免数据竞争和死锁。
条件变量（Condition Variables）：Condition接口配合ReentrantLock使用，用于实现线程之间的等待/通知机制。它比传统的Object.wait()和Object.notify()更灵活。
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class BoundedBuffer {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = lock.newCondition();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
private final Object[] items = new Object[100];
private int putptr, takeptr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
信号量（Semaphore）：Semaphore用于限制同时访问某一资源的线程数量。例如，它可以用于实现连接池，限制同时访问的连接数。
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class ConnectionPool {
private final Semaphore semaphore;
public ConnectionPool(int poolSize) {
semaphore = new Semaphore(poolSize);
}
public void connect() throws InterruptedException {
semaphore.acquire(); // 获取一个许可
try {
// 执行连接操作
} finally {
semaphore.release(); // 释放许可
}
}
}
栅栏（Barrier）：CyclicBarrier允许一组线程等待彼此到达某个公共的屏障点后再继续执行。这在需要同步启动多个线程或协调阶段性任务时非常有用。
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class BarrierExample {
private static final int THREAD_COUNT = 3;
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(THREAD_COUNT,
() -> System.out.println("All threads reached the barrier"));
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
new Thread(new Task()).start();
}
}
static class Task implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is waiting at the barrier");
barrier.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " passed the barrier");
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
2.4 不变性（Immutability）
不可变对象是指一旦创建后，其状态就不能再改变的对象。在并发环境中使用不可变对象，可以避免数据竞争，因为多个线程可以安全地共享不可变对象而无需同步。
Java中的不可变类：例如String、Integer等Java标准类都是不可变的。你可以通过final关键字和只读属性来创建自己的不可变类。
public final class ImmutablePoint {
private final int x;
private final int y;
public ImmutablePoint(int x, int y) {
this.x = x;
this.y = y;
}
public int getX() {
return x;
}
public int getY() {
return y;
}
}
2.5 并发容器（Concurrent Collections）
Java 提供了一组线程安全的集合类，这些集合类在内部实现了高效的并发控制，减少了开发者手动管理同步的复杂性。
ConcurrentHashMap：一个线程安全的哈希表，适用于多线程环境下的键值对存储。
CopyOnWriteArrayList：一个线程安全的List，在写操作时会复制底层数组，因此适用于读操作多、写操作少的场景。
BlockingQueue：线程安全的队列，提供阻塞的put()和take()操作，用于生产者-消费者模型。
3. 总结
加锁：使用锁机制可以限制同一时间只有一个线程访问共享资源，可以使用互斥锁、读写锁、自旋锁等不同类型的锁来控制并发访问。
使用线程池：线程池可以有效控制并发线程的数量，通过设置合适的线程池大小来平衡资源占用和并发性能。
使用原子操作：原子操作是不可被中断的操作，保证了操作的完整性，可以避免多个线程同时对同一变量进行修改造成的并发问题。
使用并发容器：Java中提供了一些并发容器，如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等，它们可以在并发环境下安全地进行读写操作。
避免共享资源：尽量避免多个线程共享同一资源，如果无法避免，可以通过复制资源、分片资源等方式来减少并发访问的冲突。
合理设计数据结构：选择合适的数据结构可以减少并发访问的冲突，如使用线程安全的数据结构或使用无锁的数据结构等。
合理设置并发级别：根据具体的应用场景，合理设置并发级别，避免过高的并发级别导致性能下降或过低的并发级别导致资源浪费。