技术面：Java并发（线程同步、死锁、多线程编排）

丧血槌 · 6 小时前

线程同步的方式有哪些？

线程同步

线程同步，是多线程编程中的一种机制，用于协调多个线程的执行顺序，确保它们在共享资源或关键操作上按照预定的规则运行，避免因并发访问导致的数据不一致、竞态条件（Race Condition）等问题。
线程同步的方式有哪些？

synchronized 关键字，通过 JVM 内置的锁机制实现线程同步，确保同一时刻只有一个线程访问共享资源。既可以修饰实例方法也可以修饰静态方法，也可以锁代码块和锁住某个具体的实例对象。

public synchronized void method() { ... } // 实例方法锁（this）
public static synchronized void method() { ... } // 类方法锁（Class 对象）
// 锁实例对象
synchronized (lockObject) {
// 同步代码块
}

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ReentrantLock 基于 java.util.concurrent.locks.Lock 接口实现的可重入互斥锁，需显式调用 lock() 和 unlock()进行加锁和解锁。
支持公平锁、可中断锁、超时锁以及多条件变量（Condition），相比 synchronized 提供了更高的灵活性。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
// 同步代码
} finally {
lock.unlock();
}

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Semaphore（信号量），允许多个线程同时访问资源，但是限制访问线程的数量。

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 初始许可数为3
semaphore.acquire(); // 获取许可
try {
// 同步代码
} finally {
semaphore.release(); // 释放许可
}

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CountDownLatch，允许多个线程等待其他线程执行完毕之后再执行，用于线程间的协作。

public class LatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int threadCount = 3;
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 1; i <= threadCount; i++) {
new Thread(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 初始化完成");
latch.countDown(); // 子线程完成，计数器减 1
}, "线程-" + i).start();
}
latch.await(); // 主线程等待所有子线程完成
System.out.println("所有子线程完成，主线程继续执行");
}
}

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CyclicBarrier，多个线程互相等待，所有线程都到到屏障点后，再继续执行。线程计数器可重置。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class CyclicBarrierExample {
// 总和变量（线程安全）
private static int sum = 0;
// 线程池
private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
public static void main(String[] args) {
// 定义需要等待的线程数量（5个）
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
// 所有线程到达屏障后执行的回调（汇总结果）
System.out.println("所有线程已完成计算，总和为: " + sum);
});
// 启动5个线程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
executor.execute(() -> {
try {
// 模拟线程计算
int value = (int) (Math.random() * 100);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 计算值: " + value);
// 将计算结果累加到总和中
sum += value;
// 调用await()等待其他线程到达屏障
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
// 关闭线程池
executor.shutdown();
}
}

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Phaser，和CyclicBarrier类似，但是支持更灵活的屏障操作，适用于复杂多阶段任务，支持动态注册/注销参与者，并可控制各参与者的阶段进度，并可以控制各个参与者的到达和离开。

Phaser phaser = new Phaser(1); // 初始参与线程
phaser.bulkRegister(3); // 动态注册3个工作线程
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(() -> {
for (int phase = 0; phase < 2; phase++) {
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 阶段1：等待所有线程完成阶段1
// 执行阶段2任务
}
phaser.arriveAndDeregister(); // 完成并注销
}).start();
}
// 主线程等待所有线程完成
phaser.arriveAndAwaitAdvance();

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其他，另外还有volatile，这种能保证可见性和有序性，但不能保证原子性的关键字。以及基于CAS实现的Atomic 类（无锁同步），但是仅适用于简单数据类型和部分操作（如 getAndAdd）。

死锁

死锁，通常是指在两个或多个进程（或线程、事务）在执行过程中，因争夺资源而陷入相互等待的状态，导致所有进程都无法继续执行。
什么情况下会产生死锁？

产生死锁的四个必要条件

互斥（Mutual Exclusion），一个资源只能被一个进程占用，其他进程必须等待其释放。
占有并等待（Hold and Wait），进程在持有资源的同时，申请新的资源。
不可剥夺（No Preemption），资源只能由持有它的进程主动释放，不能被强制剥夺。
循环等待（Circular Wait），存在一个进程环，每个进程都在等待下一个进程所持有的资源。

如何解决死锁？

上面我们已经知道产生死锁有四个必要条件，那解决死锁，只需要破坏死锁的这些必要条件即可。
一般从以下几方面入手即可：

破坏“占有并等待”条件
- 进程或线程一次性申请所需的所有资源，否则不分配任何资源。（可能导致资源利用率低，进程长期等待资源）
- 进程或线程申请资源时，必须释放已持有的所有资源。（可能导致频繁的资源释放和重新申请，增加系统开销）
破坏“不可剥夺”条件，允许系统强制回收资源。（可能中断进程的正常执行，导致数据不一致）
破坏“循环等待”条件，要求进程或线程按顺序申请资源。保证多个进程(线程)的执行顺序相同即可避免循环等待。这是最常用的解决死锁的方法。
例如：事务1的执行顺序是：A->B->C，事务2的执行顺序是：C->D->A，这种情况下就容易产生死锁。因为事务1占用了A，等待C，但是事务2占用了C但是等待A。因此只需要把事务2的执行顺序改成：A->D->C，这样事务2在执行时，会发现事务1占用着A呢，因此事务会先不执行，等待事务1释放A。

死锁如何恢复？

回滚进程或线程，可以执行一个或多个进程（或线程）回滚到安全状态，释放资源。一般回滚时，要遵循按优先级选择（优先级低的进程先回滚） 。按资源占用时间选择（占用时间短的进程先回滚）。
终止进程或线程，直接终止全部或部分死锁进程（或线程），释放资源。（可能导致数据丢失或事务不完整）
资源剥夺，从某些进程或线程中强制回收资源分配给其他进程。
超时机制，为进程或线程设置等待资源的超时时间，若超时则自动放弃请求并释放已占资源。

数据库中的死锁

在操作数据库时，如果有多个事务并发执行，也是可能发生死锁的。当事务1持有资源A的锁，但是尝试获取资源B的锁，而事务2持有资源B的锁，尝试获取资源A的锁的时候，这时候就会发生死锁的情况。
当数据库发生死锁的时候，会报出来如下的错误：

Error updating database. Cause: ERR-CODE: [TDDL-4614][ERR EXECUTE ON MYSQL]
Deadlock found when trying to get lock;
The error occurred while setting parameters### SQL:
update test_table set updated=now(),type_state = ? where test_num = 123

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数据库操作中如何避免死锁？

一般对于数据库的死锁，主要是避免发生并发更新同一资源的操作。或者可以考虑保证操作的顺序，比如多个事务都是先操作资源A、再操作资源B，这样就能有效的避免死锁。
还有一些其他优化措施：
减少事务持有锁的时间：尽快提交或回滚事务。
锁粒度控制：使用行级锁而非表级锁，减少资源竞争。
避免嵌套事务：减少循环等待的可能性。
多线程编排

在 Java 中，多线程的编排可以通过多种方式实现，主要涉及 线程池、同步机制、并发工具类 以及任务协调工具（如 Future、CompletableFuture）等。
CompletableFuture怎么实现多线程异步编排？

CompletableFuture，提供了非常强大的Future的扩展功能，可以帮助我们简化异步编程的复杂性，提供了函数式编程的能力，可以通过回调的方式处理计算结果，并且提供了转换和组合CompletableFuture的方法。
我在【上一篇文章】提过CompletableFuture底层就是用ForkJoinPool来实现，那么CompletableFuture如何使用来实现多线程任务编排的呢？
单个任务

runAsync：无返回值

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
System.out.println("无返回值任务执行中");
});

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supplyAsync：有返回值

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return "异步任务结果";
});
System.out.println(future.get()); // 输出: 异步任务结果

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指定线程池

因为CompletableFuture默认底层是使用的ForkJoinPool.commonPool()，但是也是可以自定义线程池，配置线程的一些指定信息。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return "自定义线程池任务";
}, executor);

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两个任务编排

thenApplyAsync：能接收上一次的执行结果，还可以有返回值

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
.thenApplyAsync(result -> result + " World");// 运行结果 Hello World

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thenRunAsync：不能接收上一次的执行结果，并且也没返回值

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return "Hello";
}).thenRunAsync(() -> {
System.out.println("after Hello World");
});

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组合多个任务编排

串行组合（thenCompose），可以将前一个任务的结果传递给下一个任务（链式依赖）

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
.thenCompose(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> result + " World"));
System.out.println(future.get()); // 输出: Hello World

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并行组合（thenCombine），将两个独立任务的结果进行合并

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "World");
future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + " " + result2)
.thenAccept(System.out::println); // 输出: Hello World

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多任务并行（allOf / anyOf）

allOf：等待所有任务完成

CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(
CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("Task 1")),
CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("Task 2"))
);
allFutures.get(); // 等待所有任务完成

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anyOf：任一任务完成即触发

CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 1"),
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 2")
);
System.out.println(anyFuture.get()); // 输出: Task 1 或 Task 2（取决于哪个先完成）

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任务编排异常处理

捕获异常（exceptionally），在任务抛出异常时提供默认信息。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
if (Math.random() > 0.5) throw new RuntimeException("失败");
return "成功";
}).exceptionally(ex -> {
System.out.println("异常处理: " + ex.getMessage());
return "默认值";
});
System.out.println(future.get());

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全局处理（handle / whenComplete）

handle：处理异常并返回新结果

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
if (Math.random() > 0.5) throw new RuntimeException("失败");
return "成功";
}).handle((result, ex) -> {
if (ex != null) {
System.out.println("异常处理: " + ex.getMessage());
return "默认值";
}
return result;
});

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whenComplete：无论成功或失败均执行（不可中断）

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
if (Math.random() > 0.5) throw new RuntimeException("失败");
return "成功";
}).whenComplete((result, ex) -> {
if (ex != null) System.out.println("任务失败");
else System.out.println("任务成功: " + result);
});

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