JUC相關知識點總結

Java JUC（java.util.concurrent）是Java并發編程的核心工具包，提供了豐富的并發工具類和框架。以下是JUC的主要知識點，按難易程度分類，供你參考：

1. 基礎概念與工具類

1.1 并發與并行（易）

內容：理解并發（Concurrency）和并行（Parallelism）的區別。
重要性：基礎概念，理解并發編程的前提。

1.2 線程與線程池（中）

內容：線程的創建與啟動（Thread、Runnable）。線程池（ExecutorService、ThreadPoolExecutor）。線程池參數（核心線程數、最大線程數、隊列類型、拒絕策略）。
重要性：線程池是并發編程的核心工具，必須掌握。

1.3 線程生命周期與狀態（易）

內容：線程的6種狀態（NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED）。
重要性：理解線程狀態是調試并發問題的基礎。

2. 同步與鎖

2.1?`synchronized`關鍵字（易）

內容：方法同步與代碼塊同步。鎖的粒度與性能優化。
重要性：最基礎的同步機制。

2.2?`ReentrantLock`（中）

內容：可重入鎖的基本使用。公平鎖與非公平鎖。tryLock、lockInterruptibly等高級特性。
重要性：比synchronized更靈活的鎖機制。

2.3?`ReadWriteLock`（中）

內容：讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock）。讀鎖與寫鎖的分離。
重要性：適用于讀多寫少的場景。

2.4?`StampedLock`（難）

內容：樂觀讀鎖與悲觀讀鎖。鎖的升級與降級。
重要性：高性能鎖，適用于特定場景。

3. 原子操作類

3.1?`AtomicInteger`、`AtomicLong`等（易）

內容：原子操作的基本使用。compareAndSet（CAS）原理。
重要性：無鎖編程的基礎。

3.2?`AtomicReference`、`AtomicStampedReference`（中）

內容：引用類型的原子操作。解決ABA問題。
重要性：適用于復雜對象的原子操作。

3.3?`LongAdder`、`DoubleAdder`（中）

內容：高并發場景下的累加器。分段鎖機制。
重要性：比AtomicLong性能更高。

4. 并發集合

4.1?`ConcurrentHashMap`（中）

內容：分段鎖與CAS機制。高并發下的性能優化。
重要性：最常用的并發集合。

4.2?`CopyOnWriteArrayList`、`CopyOnWriteArraySet`（易）

內容：寫時復制機制。適用場景與性能特點。
重要性：適用于讀多寫少的場景。

4.3?`BlockingQueue`及其實現類（中）

內容：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue。PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue。put、take等阻塞操作。
重要性：生產者-消費者模型的實現基礎。

4.4?`ConcurrentLinkedQueue`、`ConcurrentSkipListMap`（難）

內容：無鎖隊列與跳表。高并發場景下的性能優勢。
重要性：適用于高性能無鎖場景。

5. 同步工具類

5.1?`CountDownLatch`（易）

內容：等待多個線程完成任務。
重要性：多線程協作的基礎工具。

5.2?`CyclicBarrier`（中）

內容：多線程到達屏障后繼續執行。與CountDownLatch的區別。
重要性：適用于分階段任務。

5.3?`Semaphore`（中）

內容：控制并發線程數。信號量的基本使用。
重要性：資源池管理的核心工具。

5.4?`Phaser`（難）

內容：多階段任務同步。動態調整參與線程數。
重要性：適用于復雜任務調度。

5.5?`Exchanger`（難）

內容：線程間數據交換。
重要性：適用于特定場景。

6. 異步編程

6.1?`Future`與`FutureTask`（中）

內容：異步任務的結果獲取。get方法的阻塞特性。
重要性：異步編程的基礎。

6.2?`CompletableFuture`（難）

內容：鏈式調用與組合操作。thenApply、thenAccept、thenCombine等方法。
重要性：現代異步編程的核心工具。

7. 線程調度與定時任務

7.1?`ScheduledExecutorService`（中）

內容：定時任務與周期性任務。
重要性：替代Timer的推薦工具。

7.2?`ForkJoinPool`（難）

內容：分治算法與工作竊取。RecursiveTask與RecursiveAction。
重要性：適用于計算密集型任務。

8. 其他高級特性

8.1?`ThreadLocal`（中）

內容：線程本地變量。內存泄漏問題。
重要性：線程間數據隔離的工具。

8.2?`AQS`（AbstractQueuedSynchronizer）（難）

內容：同步器的底層實現。自定義鎖與同步工具。
重要性：理解JUC底層機制的關鍵。

8.3 內存模型與`volatile`（中）

內容：可見性、有序性、原子性。happens-before原則。
重要性：理解并發編程的基礎。

學習建議

從易到難：先掌握基礎概念和工具類，再深入學習高級特性。
動手實踐：通過編寫代碼加深理解，尤其是并發集合和同步工具類。
閱讀源碼：特別是AQS、ConcurrentHashMap等核心類的源碼。
調試與測試：使用工具（如JConsole、VisualVM）分析并發問題。

通過系統學習以上知識點，你將全面掌握Java JUC的核心內容，并能夠應對實際開發中的并發編程挑戰。

詳細演示上面功能

Java JUC 知識點完整匯總

1. 基礎概念與工具類

1.1 并發與并行

描述：

并發：多個任務交替執行，適用于單核 CPU 或多線程任務。
并行：多個任務同時執行，需要多核 CPU 支持。
適用范圍：理解并發與并行的區別是并發編程的基礎。
注意點：并行需要硬件支持（多核 CPU）。
實現原理：并發通過線程切換實現，并行通過多核 CPU 實現。

代碼示例：

public class ConcurrencyVsParallelism {public static void main(String[] args) {// 并發：多個任務交替執行Runnable task = () -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");new Thread(task).start(); // 啟動線程1new Thread(task).start(); // 啟動線程2// 并行：多個任務同時執行（需要多核CPU支持）ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); // 創建固定大小的線程池executor.submit(task); // 提交任務1executor.submit(task); // 提交任務2executor.shutdown(); // 關閉線程池}
}

1.2 線程與線程池

描述：

線程：Java 中最基本的并發單元。
線程池：管理線程的生命周期，避免頻繁創建和銷毀線程。
適用范圍：需要頻繁創建線程的場景。
注意點：線程池參數（核心線程數、最大線程數、隊列類型、拒絕策略）需要合理配置。
實現原理：線程池通過任務隊列和工作線程實現任務調度。

代碼示例：

public class ThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); // 創建固定大小的線程池executor.submit(() -> System.out.println("Task 1")); // 提交任務1executor.submit(() -> System.out.println("Task 2")); // 提交任務2executor.shutdown(); // 關閉線程池}
}

1.3 線程生命周期與狀態

描述：

線程狀態：NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED。
適用范圍：調試和分析線程行為。
注意點：線程狀態是 JVM 管理的，開發者無法直接控制。
實現原理：JVM 通過內部狀態機管理線程狀態。

代碼示例：

public class ThreadStateExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread thread = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000); // TIMED_WAITING} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});System.out.println(thread.getState()); // NEWthread.start();System.out.println(thread.getState()); // RUNNABLEthread.join();System.out.println(thread.getState()); // TERMINATED}
}

2. 同步與鎖

2.1?`synchronized`

描述：

適用范圍：簡單的線程同步場景。
注意點：鎖的粒度要盡量小，避免性能問題。
實現原理：基于 JVM 內置鎖機制，通過?monitorenter?和?monitorexit?指令實現。

代碼示例：

public class SynchronizedExample {private static class Counter {private int count = 0;public synchronized void increment() {count++; // 臨界區操作}public int getCount() {return count;}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter();Runnable task = () -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {counter.increment(); // 調用同步方法}};Thread thread1 = new Thread(task); // 創建線程1Thread thread2 = new Thread(task); // 創建線程2thread1.start(); // 啟動線程1thread2.start(); // 啟動線程2thread1.join(); // 等待線程1完成thread2.join(); // 等待線程2完成System.out.println("Final count: " + counter.getCount()); // 輸出最終結果}
}

2.2?`ReentrantLock`

描述：

適用范圍：需要更靈活的鎖控制（如可中斷鎖、超時鎖）。
注意點：必須手動釋放鎖，否則會導致死鎖。
實現原理：基于?AQS（AbstractQueuedSynchronizer）實現。

代碼示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ReentrantLockExample {private static class Counter {private int count = 0;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 創建 ReentrantLockpublic void increment() {lock.lock(); // 獲取鎖try {count++; // 臨界區操作} finally {lock.unlock(); // 釋放鎖}}public int getCount() {return count;}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter();Runnable task = () -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {counter.increment(); // 調用同步方法}};Thread thread1 = new Thread(task); // 創建線程1Thread thread2 = new Thread(task); // 創建線程2thread1.start(); // 啟動線程1thread2.start(); // 啟動線程2thread1.join(); // 等待線程1完成thread2.join(); // 等待線程2完成System.out.println("Final count: " + counter.getCount()); // 輸出最終結果}
}

3. 原子操作類

3.1?`AtomicInteger`

描述：

適用范圍：無鎖的線程安全計數器。
注意點：適用于簡單的原子操作，復雜場景可能需要鎖。
實現原理：基于 CAS（Compare-And-Swap）實現。

代碼示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicIntegerExample {public static void main(String[] args) {AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0); // 初始化值為 0atomicInt.incrementAndGet(); // 原子操作：自增并返回新值atomicInt.addAndGet(5); // 原子操作：增加指定值并返回新值System.out.println("Final value: " + atomicInt.get()); // 輸出最終值}
}

4. 并發集合

4.1?`ConcurrentHashMap`

描述：

適用范圍：高并發場景下的鍵值對存儲。
注意點：不支持?null?鍵和值。
實現原理：分段鎖 + CAS 機制。

代碼示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>(); // 創建 ConcurrentHashMapmap.put("a", 1); // 插入鍵值對map.put("b", 2); // 插入鍵值對System.out.println("Value for key 'a': " + map.get("a")); // 獲取值}
}

5. 同步工具類

5.1?`CountDownLatch`

描述：

適用范圍：等待多個線程完成任務。
注意點：計數器不能重置。
實現原理：基于 AQS 實現。

代碼示例：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2); // 初始化計數器為 2new Thread(() -> {System.out.println("Task 1 completed");latch.countDown(); // 計數器減 1}).start();new Thread(() -> {System.out.println("Task 2 completed");latch.countDown(); // 計數器減 1}).start();latch.await(); // 阻塞直到計數器為 0System.out.println("All tasks completed");}
}

6. 異步編程

6.1?`Future`

描述：

適用范圍：異步任務的結果獲取。
注意點：get()?方法會阻塞，直到任務完成。
實現原理：基于?Runnable?和?Callable?實現。

代碼示例：

import java.util.concurrent.*;public class FutureExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor(); // 創建單線程線程池Future<Integer> future = executor.submit(() -> 1 + 1); // 提交任務System.out.println("Task result: " + future.get()); // 獲取任務結果executor.shutdown(); // 關閉線程池}
}

7. 線程調度與定時任務

7.1?`ScheduledExecutorService`

描述：

適用范圍：定時任務和周期性任務。
注意點：任務執行時間過長會影響后續任務。
實現原理：基于線程池和任務隊列。

代碼示例：

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class ScheduledExecutorServiceExample {public static void main(String[] args) {ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1); // 創建調度線程池scheduler.schedule(() -> System.out.println("Task executed"), 1, TimeUnit.SECONDS); // 延遲執行scheduler.shutdown(); // 關閉線程池}
}

8. 其他高級特性

8.1?`ThreadLocal`

描述：

適用范圍：線程間數據隔離。
注意點：可能導致內存泄漏，需要及時清理。
實現原理：每個線程維護一個獨立的?ThreadLocalMap。

代碼示例：

public class ThreadLocalExample {private static final ThreadLocal<String> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> "Initial Value");public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {threadLocal.set("Thread 1 Value"); // 設置線程本地變量System.out.println("Thread 1: " + threadLocal.get()); // 獲取線程本地變量}).start();new Thread(() -> {threadLocal.set("Thread 2 Value"); // 設置線程本地變量System.out.println("Thread 2: " + threadLocal.get()); // 獲取線程本地變量}).start();}
}

以上是 Java JUC 的完整知識點匯總，包含代碼示例、實現原理和注意點。如果需要進一步補充或調整，請隨時告訴我！