JUC并发编程【八股篇】：并发基础
这是JUC（java.util.concurrent）并发编程系列的基础篇，主要梳理面试高频的“并发八股”核心概念。后续会继续讲锁机制、AQS、线程池、并发工具类、原子类等。内容以原理 + 面试问法 + 背诵要点为主，帮助你快速掌握并发编程的根基。
1. 进程 vs 线程（必考基础）
- 进程：操作系统资源分配的基本单位。每个进程拥有独立的地址空间、内存、文件句柄等资源。进程之间相互隔离，通信开销大（管道、消息队列、共享内存等）。
- 线程：操作系统调度（CPU时间片分配）的最小单位。线程是进程内的执行单元，多个线程共享进程的地址空间和资源（堆、方法区、文件描述符等），但每个线程有自己独立的程序计数器、栈、寄存器（防止互相干扰）。
区别总结：
- 进程：资源拥有者，隔离性强，开销大。
- 线程：调度单位，轻量级，共享资源，开销小，但容易出现线程安全问题。
- 一个进程至少有一个线程（主线程），Java中线程由JVM管理，但底层映射到OS线程（HotSpot中是1:1模型）。
面试追问：
- Java线程和OS线程的关系？→ Java线程最终依赖OS原生线程实现（pthread或Windows线程）。
- 为什么多线程能提高效率？→ 充分利用多核CPU、隐藏IO等待（并发 vs 并行）。
2. 并发（Concurrency） vs 并行（Parallelism）
- 并发：多个任务在同一时间段内交替执行（单核CPU通过时间片轮转实现）。重点是“同时段”。
- 并行：多个任务在同一时刻真正同时执行（多核CPU）。重点是“同时点”。
举例：
- 单核CPU跑多个线程 → 并发。
- 多核CPU每个核跑一个线程 → 并行。
为什么需要并发编程？
- 充分利用多核CPU性能。
- 业务拆分，提升响应速度（IO密集型任务特别明显）。
- 异步处理、提高吞吐量。
并发编程的缺点：
- 线程安全问题（原子性、可见性、有序性被破坏）。
- 上下文切换开销（频繁切换线程，保存/恢复寄存器、程序计数器等）。
- 死锁、活锁、饥饿等问题。
- 调试困难（非确定性）。
3. 并发编程三大特性（核心！）
线程安全必须同时满足以下三点：
- 原子性（Atomicity）：一个操作要么全部执行成功，要么全部不执行。中间状态对外不可见。
- 经典破坏：i++（实际是读-改-写三步，非原子）。
- 保证手段：synchronized、Lock、Atomic原子类、CAS。
- 可见性（Visibility）：一个线程修改共享变量后，其他线程能立即看到最新值。
- 破坏原因：CPU缓存、编译器/CPU重排序、JMM工作内存。
- 保证手段：volatile、synchronized、final、Lock、Happens-Before。
- 有序性（Ordering）：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行（禁止重排序影响结果）。
- as-if-serial：单线程看起来像串行执行。
- 破坏：编译器/JIT/CPU重排序。
- 保证手段：volatile、synchronized、Happens-Before。
面试常问：并发编程三要素是什么？如何保证？
4. Java内存模型（JMM）—— 并发编程的灵魂
JMM是Java虚拟机规范定义的抽象内存模型，屏蔽了不同硬件/OS的内存差异。
- 主内存：所有线程共享（对应堆、方法区）。
- 工作内存（本地内存）：每个线程私有的缓存（对应栈 + CPU缓存），线程操作变量时先从主内存拷贝到工作内存。
JMM三大特性：
- 原子性（针对基本操作）。
- 可见性。
- 有序性（通过Happens-Before保证）。
重排序：编译器、处理器为了优化性能，可能改变指令执行顺序。但必须遵守as-if-serial（单线程语义不改变）和Happens-Before。
5. Happens-Before原则（JMM最核心规则）
如果操作A Happens-Before 操作B，则：
- A的结果对B可见。
- A的执行顺序在B之前（即使实际可能重排序，但结果必须一致）。
8大Happens-Before规则（背诵重点）：
- 程序次序规则：同一个线程内，代码按书写顺序执行（前面的Happens-Before后面的）。
- 监视器锁规则（synchronized）：对同一个锁的unlock操作Happens-Before后续的lock操作。
- volatile变量规则：对volatile变量的写操作Happens-Before后续的读操作。
- 传递性：如果A HB B，B HB C，则A HB C。
- 线程启动规则：Thread.start() Happens-Before 该线程run()中的任何操作。
- 线程终止规则：线程中所有操作Happens-Before其他线程检测到该线程终止（join()返回、isAlive()=false）。
- 线程中断规则：interrupt()调用Happens-Before被中断线程检测到中断（isInterrupted()）。
- 对象终结规则：一个对象的构造完成Happens-Before其finalize()开始。
面试追问：volatile为什么能保证可见性和有序性？（依赖volatile写-读的Happens-Before + 内存屏障）
6. 线程的生命周期与状态（5种或6种状态）
Java线程状态（Thread.State枚举）：
- NEW：新建状态，创建Thread对象但未start()。
- RUNNABLE：就绪/运行状态（包含OS的Ready和Running）。start()后进入。
- BLOCKED：阻塞状态（等待获取monitor锁，如synchronized未获取）。
- WAITING：无限等待（Object.wait()、Thread.join()、LockSupport.park()）。
- TIMED_WAITING：超时等待（Thread.sleep()、wait(long)、join(long)）。
- TERMINATED：终止状态（run()执行完或异常退出）。
状态转换图（经典面试题）：
- NEW → start() → RUNNABLE
- RUNNABLE → 阻塞/等待 → BLOCKED/WAITING/TIMED_WAITING
- 唤醒后 → RUNNABLE
- 结束 → TERMINATED
注意：RUNNABLE不等于正在CPU上运行，可能在就绪队列等待时间片。
7. 创建线程的几种方式（及优缺点）
- 继承Thread类：重写run()。简单，但不推荐（单继承限制，任务与线程耦合）。
- 实现Runnable接口：实现run()，传给Thread。推荐，解耦。
- 实现Callable接口 + FutureTask：有返回值，可抛异常。结合线程池使用。
- 线程池（推荐）：Executors或ThreadPoolExecutor。复用线程，管理线程生命周期，控制并发数。
为什么不推荐直接new Thread？
- 频繁创建/销毁开销大。
- 无法统一管理（资源耗尽风险）。
- 线程池可复用、限流、优雅关闭。
8. 上下文切换（Context Switch）
- 定义：CPU从一个线程切换到另一个线程时，需要保存当前线程的执行上下文（寄存器、程序计数器、栈指针等），加载目标线程的上下文。
- 开销：耗费CPU时间（微秒级），频繁切换会降低整体性能。
- 导致原因：时间片用完、阻塞、yield、优先级等。
- 优化：减少锁竞争、合理使用线程数（CPU密集型 ≈ 核数，IO密集型 ≈ 核数 * 2~4）、使用协程（虚拟线程，JDK21+）。
9. 死锁（Deadlock）及避免
死锁四个必要条件（Coffman条件）：
- 互斥条件（资源独占）。
- 请求并持有条件（已持有资源，还请求其他）。
- 不可剥夺条件（资源只能主动释放）。
- 循环等待条件（形成环）。
如何避免：
- 破坏一个条件即可（如按固定顺序申请锁、超时获取锁、资源一次性分配）。
- 常用：tryLock()带超时、ReentrantLock、避免嵌套锁。
排查：jstack、jconsole、VisualVM查看线程dump，找“waiting for”循环。
10. 其他基础概念
- 线程安全：多个线程同时访问共享数据时，结果与单线程执行一致。
- 重入锁：同一个线程可重复获取已持有的锁（synchronized、ReentrantLock都支持）。
- 守护线程（Daemon）：为用户线程服务的线程（GC线程），主线程结束时自动终止。setDaemon(true)必须在start()前调用。
- ThreadLocal：线程本地变量，每个线程独立副本（后续会详细讲内存泄漏问题）。
并发基础总结口诀（便于背诵）：
进程资源分配，线程CPU调度；共享内存有风险，三性必须保；JMM主从内存，HB先行可见；线程五态转，锁争上下文耗；死锁四条件，破坏一即可。
掌握以上内容，你就有了并发编程的坚实根基。下一期我们将深入锁机制（synchronized底层、锁升级、ReentrantLock、AQS原理）。
如果你想看手绘图、具体代码示例、或某部分更详细展开（比如Happens-Before具体例子），随时告诉我！也可以直接问“JUC八股 锁篇”或具体面试题。
