JUC 并发编程 — 复习大纲

基于 7 篇笔记整理，覆盖 JUC 核心知识点。每个章节标注了对应笔记文件，方便跳转回顾。

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01 线程基础与关键字

对应篇章：01线程拓展和关键字总结.md

1. 线程通信基础

   • 上下文切换与程序计数器

   • 临界区概念

   • interrupt 中断机制与复位

   • wait / notify / notifyAll 等待-通知模式

   • 更优雅的停止线程（boolean + isInterrupt）

2. volatile 关键字

   • 可见性保证

   • 禁止重排序优化

   • 内存屏障原理（StoreStore / StoreLoad / LoadLoad / LoadStore）

   • 六大使用场景（状态标志、一次性发布、volatile bean、双重检查单例等）

3. synchronized 关键字

   • 锁对象 / 锁方法 / 锁代码块 / 静态锁

   • Monitor（管程）机制：monitorenter / monitorexit / 计数器

   • 可重入锁原理

   • Java 对象头 Mark Word 结构

   • Monitor 结构：owner / entry list / wait set

4. 锁升级（1.6+）

   • 升级路径：无锁 → 偏向锁 → 轻量锁 → 重量锁（单向不可逆）

   • 锁粗化与锁消除

   • 自旋锁与自适应自旋

   • 偏向锁的引入背景、原理与撤销（全局安全点）

   • 轻量锁的 CAS 加锁 / 撤销

   • 重量锁的 Monitor 阻塞

5. final 关键字

   • 加类 / 加变量 / 加方法的语义

   • 编译期常量 vs 运行时常量

   • 基本类型与引用类型的重排序约束

   • 内存屏障保证 final 语义

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02 JUC 并发类全景概览

对应篇章：02并发类汇总概述.md

1. Lock 框架

   • Condition 接口（wait-notify 的增强替代）

   • Lock / ReadWriteLock 接口

   • AQS 核心抽象类（模板方法模式，state + FIFO 队列）

   • LockSupport、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

2. 同步工具类

   • CountDownLatch（倒计时，一次性）

   • CyclicBarrier（循环栅栏，可复用）

   • Phaser（动态阶段屏障）

   • Semaphore（信号量限流）

   • Exchanger（线程间数据交换）

3. 并发集合

   • Queue 系列：ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue / LinkedBlockingDeque / ConcurrentLinkedQueue / ConcurrentLinkedDeque / DelayQueue / PriorityBlockingQueue / SynchronousQueue / LinkedTransferQueue

   • List：CopyOnWriteArrayList

   • Set：CopyOnWriteArraySet / ConcurrentSkipListSet

   • Map：ConcurrentHashMap / ConcurrentSkipListMap

4. Atomic 原子类

   • 基础类型 / 数组 / 引用 / FieldUpdater 四组分类

5. 线程池体系

   • Executor → ExecutorService → ScheduledExecutorService 接口层级

   • AbstractExecutorService / FutureTask / ThreadPoolExecutor / ScheduledThreadPoolExecutor / ForkJoinPool

   • Executors 工具类

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03 CAS、Unsafe 与原子类

对应篇章：03CAS.Unsafe和原子类.md

1. 线程安全实现方法

   • 阻塞同步（synchronized / ReentrantLock）

   • 非阻塞同步（CAS / AtomicXXX）

   • 无同步方案（栈封闭 / ThreadLocal / 可重入代码）

2. CAS 机制

   • CompareAndSwap 原理：期望值比较 + 原子替换

   • 乐观锁 vs 悲观锁

   • ABA 问题与 AtomicStampedReference 版本号解决方案

   • 自旋开销问题

   • 单变量原子性限制与 AtomicReference

3. Unsafe 类

   • 核心方法：compareAndSwapObject / Int / Long

   • 底层调用 Atomic::cmpxchg，Windows 下 lock 前缀总线锁

   • 扩展功能：堆外内存操作、线程调度、Class 操作、对象操作、数组操作、内存屏障、系统信息

4. 原子类详解

   • AtomicInteger 常用 API 与底层 CAS + volatile 实现

   • 四组分类详解：基本类型 / 数组类型 / 引用类型 / 原子更新类

   • AtomicStampedReference 内部 Pair 对象解决 ABA

   • AtomicMarkableReference 标记位方案

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04 LockSupport 与线程调度

对应篇章：04LockSupport和线程调度.md

1. LockSupport 核心

   • park / unpark 机制（替代 wait-notify）

   • 底层 Unsafe.park / unpark 方法

   • blocker 机制与 setBlocker

   • parkNanos / parkUntil 超时版本

2. wait-notify vs park-unpark 对比

   • wait-notify 代码示例

   • park-unpark 代码示例

   • 关键区别：锁释放 / 异常处理 / 顺序要求

3. 四大阻塞方法对比

   • Thread.sleep()：不释放锁，需捕获异常，只能自己醒来

   • Object.wait()：释放锁，需上锁使用，notify 唤醒

   • Condition.await()：释放锁，基于 park 实现

   • LockSupport.park()：不释放锁，无需上锁，unpark 可提前调用

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05 AQS 与 ReentrantLock

对应篇章：05AQS和ReentrantLock.md

1. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

   • 结构：volatile state + Node 双向队列（同步队列）+ ConditionObject（条件队列）

   • 模板方法：tryAcquire / tryRelease / tryAcquireShared / tryReleaseShared / isHeldExclusively

   • 独占锁获取释放流程（CAS 入队 → 自旋判断前驱 → park 阻塞 → release 唤醒）

   • 共享锁获取释放流程（state > 0 即可获取，释放时唤醒后续节点）

   • ConditionObject：await 入条件队列 → signal 移入同步队列

   • 总结：AQS = CAS 管程，Unsafe 提供原子操作，LockSupport 提供线程调度

2. ReentrantLock

   • FairSync vs NonFairSync（公平锁先判断队列，非公平锁直接 CAS 抢占）

   • 可重入实现（当前线程 == owner 时 state + 1）

   • 释放资源（state - 1，owner 置 null，unparkSuccessor）

3. ReentrantReadWriteLock

   • 读写互斥，state 高 16 位读锁 / 低 16 位写锁

   • 锁降级（写锁中获取读锁再释放写锁），不支持锁升级

   • 适用场景：读多写少

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06 JUC 集合与工具类

对应篇章：06juc集合工具类.md

1. ConcurrentHashMap

   • JDK 1.7：Segment 分段锁（ReentrantLock），默认 16 段

   • JDK 1.8：CAS + volatile + synchronized，数组 < 64 不转红黑树，负载因子 0.75 扩容

2. CopyOnWriteArrayList

   • 写时复制 + ReentrantLock

   • fail-safe 迭代器（快照，不抛 ConcurrentModificationException）

   • 缺点：内存消耗大 / 最终一致性 / 数据量大易 OOM

3. 并发队列

   • ConcurrentLinkedQueue：无锁 CAS，hops 延迟更新

   • BlockingQueue 四类操作方法（抛异常 / 返回值 / 阻塞 / 超时）

   • ArrayBlockingQueue：有界，数组固定大小

   • LinkedBlockingQueue：无界（默认 Integer.MAX_VALUE），注意内存泄漏

   • DelayQueue：Delayed 接口，延迟获取

   • PriorityBlockingQueue：Comparable 排序，无界

   • SynchronousQueue：容量为 0 的同步点

4. 同步工具类详解

   • CountDownLatch：基于 AQS 共享锁，await 阻塞主线程，countdown 计数归零唤醒，一次性

   • CyclicBarrier：基于 ReentrantLock + Condition（AQS 等待队列），屏障回调，可复用，不影响主线程

   • Semaphore：信号量限流，基于 AQS（FairSync / NonFairSync），acquire/release 控制

   • Exchanger：双向数据交换，线程间通信

   • Phaser：多阶段屏障，动态注册注销，增强版 Latch + Barrier

5. ThreadLocal

   • 线程本地缓存，ThreadLocalMap（Thread 持有），线程隔离

   • 弱引用 Entry，配合线程池需手动 remove 防内存泄漏

   • 常用场景：线程池、Session 等线程唯一数据

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07 线程池

对应篇章：07线程池.md

1. FutureTask

   • 实现 RunnableFuture（Runnable + Future）

   • state 状态机：new → completing（normal / exceptional）→ canceled / interrupted

   • awaitDone 自旋 + CAS + volatile

   • 三种使用方式：Executors + Future / Executors + FutureTask / Thread + FutureTask

2. ThreadPoolExecutor 核心

   • 七大参数：corePoolSize / maxPoolSize / keepAliveTime / timeUnit / BlockingQueue / ThreadFactory / RejectHandler

   • 四种拒绝策略：AbortPolicy / CallerRunsPolicy / DiscardOldestPolicy / DiscardPolicy

   • 执行原理（三步判断）：核心线程 → 阻塞队列 → 非核心线程 → 拒绝策略

   • ctl 状态：高 3 位运行状态 + 低 29 位线程数（AtomicInteger）

3. Executors 工厂方法

   • newFixedThreadPool：固定线程数，无界队列，不释放空闲线程

   • newSingleThreadPool：单线程顺序执行，无界队列

   • newCachedThreadPool：0 初始 / Integer.MAX 最大，60s 存活，SynchronousQueue

   • 不推荐原因：无界队列 / 最大线程数过大 → OOM

4. 任务执行流程

   • execute（Runnable） vs submit（Runnable / Callable，返回 Future）

   • execute → addWorker → runWorker（getTask 从队列获取任务）

   • Worker 内部类：ReentrantLock 保证创建安全，AQS state = 0 标识可中断

5. 线程池关闭

   • shutdown：设 SHUTDOWN 状态，中断空闲线程，等待执行中任务完成

   • shutdownNow：设 STOP 状态，停止所有线程

6. 线程池调优建议

   • CPU 密集型：N_cpu + 1 线程

   • IO 密集型：N_cpu * 2 线程

   • 考虑因素：任务优先级 / 执行时长 / 任务性质 / 依赖关系

   • 推荐自定义线程池 + 有界阻塞队列

7. ScheduledThreadPool

   • 继承 ThreadPoolExecutor + 实现 Delayed 接口

   • 支持定时 / 周期任务，Spring @Scheduled 底层

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知识脉络总结

线程基础与关键字（01）
  ├── volatile：可见性 + 禁重排 + 内存屏障
  ├── synchronized：Monitor + 锁升级（偏向→轻量→重量）
  └── final：禁重排 + 内存屏障

线程安全三方案（03）
  ├── 阻塞同步：synchronized / ReentrantLock
  ├── 非阻塞同步：CAS + Atomic
  └── 无同步方案：ThreadLocal

核心基础设施（03-04）
  ├── Unsafe：CAS 原子操作 + 底层内存管理
  └── LockSupport：park / unpark 线程调度

同步框架（05）
  ├── AQS：state + 同步队列 + 条件队列 + 模板方法
  ├── ReentrantLock：公平 / 非公平，可重入
  └── ReentrantReadWriteLock：读写分离，锁降级

并发容器（06）
  ├── ConcurrentHashMap：1.7 分段锁 / 1.8 CAS+synchronized
  ├── CopyOnWriteArrayList：写时复制，读多写少
  └── BlockingQueue 系列：生产者消费者模型

同步工具（06）
  ├── CountDownLatch / CyclicBarrier / Phaser
  ├── Semaphore：限流
  └── Exchanger：数据交换

线程池（07）
  ├── ThreadPoolExecutor：七大参数 + 执行原理
  ├── FutureTask：异步结果获取
  └── ScheduledThreadPool：定时任务