并发全景：从线程池到锁到无锁

读完这一节，你能做到

1. 说清线程池七个参数与四种拒绝策略的取舍。
2. 解释 synchronized 的锁升级与 ReentrantLock 的差异。
3. 用 happens-before 解释 volatile 的可见性与有序性。
4. 判断 CAS 的 ABA 问题与自旋开销。

一、线程池：七个参数

new ThreadPoolExecutor(
  corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit,
  workQueue, threadFactory, handler
);

执行顺序是：核心线程 → 队列 → 非核心线程 → 拒绝策略。很多人以为"线程满了才排队"，实际是"核心满了先排队，队列满了才扩线程"。

拒绝策略	行为	适用
AbortPolicy	抛 RejectedExecutionException	默认，快速失败
CallerRunsPolicy	调用方线程执行	降速，避免丢任务
DiscardPolicy	静默丢弃	不重要任务
DiscardOldestPolicy	丢最老的，再尝试提交	实时性优先

线程数估算：

• CPU 密集：约 CPU 核数 + 1。
• IO 密集：约 CPU 核数 × (1 + 等待时间/计算时间)。
• 最终要以压测为准，公式只是起点。

队列不要用无界队列：任务堆积会 OOM，且 maximumPoolSize 永远不会生效。

二、锁：synchronized 与 ReentrantLock

synchronized 是 JVM 层面的内置锁，自动加锁/释放，异常也会释放。锁升级路径：

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁（CAS 自旋）→ 重量级锁（操作系统互斥量）

注意：偏向锁在 JDK 15 被废弃、JDK 17 默认关闭，面试时要说明版本差异。

ReentrantLock 是 AQS 实现的显式锁，能力更强：

能力	synchronized	ReentrantLock
自动释放	是	否，必须 finally unlock
公平锁	否	可选
可中断	否	lockInterruptibly
超时尝试	否	tryLock(timeout)
条件队列	单个 wait/notify	多个 Condition

AQS 的核心是 state + CLH 双向队列：获取失败入队，释放时唤醒后继；公平与非公平的差别在于是否允许插队。

三、JMM 与 volatile

Java 内存模型规定：每个线程有工作内存，共享变量在主内存。没有同步时，一个线程的修改对另一个线程不一定可见。

volatile 保证两件事：

• 可见性：写立即刷新到主内存，读从主内存读。
• 有序性：禁止指令重排（通过内存屏障）。

它不保证原子性：i++ 仍然是读-改-写三步，多线程下会丢更新。

happens-before 规则是判断可见性的依据，常用的几条：

• 程序顺序：同一线程内，前面的操作先于后面的。
• 监视器锁：解锁先于后续加锁。
• volatile：写先于后续读。
• 线程启动/终止：start 先于线程内操作，线程内操作先于 join 返回。
• 传递性：A 先于 B、B 先于 C，则 A 先于 C。

四、CAS 与原子类

CAS 是"比较并交换"：只有当前值等于期望值时才更新。AtomicInteger 用 Unsafe 的 CAS 实现无锁自增。

三个问题：

• ABA：值从 A 变 B 又变 A，CAS 察觉不到。用 AtomicStampedReference 加版本号。
• 自旋开销：竞争激烈时 CPU 空转，必要时退化为锁。
• 只能保证一个变量：多变量用 AtomicReference 或锁。

LongAdder 用分段累加降低热点，读的时候再汇总，适合高并发计数；AtomicLong 适合低竞争。

五、并发工具

工具	作用
CountDownLatch	等待 N 个任务完成，一次性
CyclicBarrier	等齐再一起走，可循环
Semaphore	控制并发数量
CompletableFuture	异步编排与组合

CompletableFuture 的三个常用组合：thenCompose（串行依赖）、thenCombine（并行合并）、allOf（等待全部）。异常用 exceptionally 或 handle 处理。

六、常见坑

1. 用无界队列，导致任务堆积与 OOM。
2. 线程池用完不 shutdown，JVM 无法退出。
3. 在 synchronized 块里做远程调用，锁持有时间过长。
4. 用 volatile 修饰计数器，误以为原子。
5. 线程池里抛出的异常被吞掉，任务静默失败。

七、动手任务：自写 → AI 写 → 对比 → 取舍

四步不跳：① 自己写（限时，关掉补全）→ ② 让 AI 写同一题 → ③ 逐条比对 → ④ 说出保留谁的写法。 完整动作与记录模板见《AI 协作与代码评审》。

① 自己写

1. 写一个固定大小线程池，对比 CallerRunsPolicy 与 AbortPolicy 的行为。
2. 用两个线程演示 volatile 可见性，再去掉 volatile 复现死循环。
3. 用 CompletableFuture 并行调用三个接口并合并结果。

② 让 AI 写同一题

把第 2 题（线程池配置）交给 AI，补一句 说明队列容量、拒绝策略与为什么这么选。

③ 对比要盯的点

• 它用了无界队列吗？那等于放弃背压，任务会堆到 OOM。
• ThreadLocal 用完它 remove() 了吗？线程池复用会导致串数据。
• CompletableFuture 默认用哪个线程池？它有没有说清为什么不建议默认。

④ 一句话取舍

它这套配置在流量翻三倍时，第一个撑不住的是哪一环？

八、自测

1. 线程池的执行顺序是什么？
2. 四种拒绝策略分别适合什么场景？
3. synchronized 的锁升级路径？
4. volatile 保证什么、不保证什么？
5. CAS 的 ABA 问题怎么解决？

参考答案要点：核心→队列→非核心→拒绝；快速失败/降速/丢弃/丢老；无锁→偏向→轻量→重量；可见性与有序性，不保证原子；版本号。

附录：高频追问

问：为什么阿里规约禁止用 Executors 创建线程池？ 固定/缓存线程池用无界队列，可能堆积 OOM；应显式指定队列与拒绝策略。

问：线程池核心线程会回收吗？ 默认不回收；allowCoreThreadTimeOut(true) 可以让核心线程也超时回收。

问：synchronized 和 Lock 怎么选？ 简单同步用 synchronized；需要公平、超时、可中断、多条件队列时用 Lock。

问：什么是锁消除与锁粗化？ JIT 发现锁对象不会逃逸就消除；相邻的多次加锁合并成一次，减少开销。

问：ThreadLocal 会内存泄漏吗？ 会。key 是弱引用，value 是强引用；线程池里用完必须 remove。

问：ConcurrentHashMap 的 size 准确吗？ JDK 8 用 CounterCell 分段计数，size 是近似值，并发下不保证精确。

问：AQS 的 state 一定是 1 吗？ 不一定。ReentrantLock 用它表示重入次数，Semaphore 表示许可数，CountDownLatch 表示剩余计数。

问：死锁的四个必要条件？ 互斥、占有且等待、不可抢占、循环等待；破坏任一即可。

问：如何排查死锁？ jstack 会直接给出死锁报告，或用 Arthas 的 thread 命令。

问：乐观锁与悲观锁的区别？ 乐观锁用版本号/CAS，冲突少时性能好；悲观锁先加锁，冲突多时更稳。

线程池监控

生产环境至少监控四个数：活跃线程数、队列长度、拒绝次数、任务耗时。队列持续增长说明消费能力不足；拒绝次数上升说明需要扩容或限流。

Spring 的 ThreadPoolTaskExecutor 可以暴露指标，接入 Micrometer 后在 Prometheus 里看趋势。

锁的选择清单

• 简单互斥：synchronized。
• 需要超时/可中断/公平：ReentrantLock。
• 读多写少：ReentrantReadWriteLock 或 StampedLock。
• 高并发计数：LongAdder。
• 跨进程：Redis/ZooKeeper 分布式锁。

先问“临界区多大”，再选锁；临界区越小，锁竞争越少。

线程池的关闭

shutdown 不再接新任务，等已提交的跑完；shutdownNow 中断工作线程并返回未执行的任务。关闭后要 awaitTermination 等待，否则 JVM 可能提前退出或任务被丢。临界区越小，锁越轻；先缩临界区。先缩。

补遗：ThreadLocal 与内存泄漏

ThreadLocal 为每个线程维护独立副本，底层是 Thread 的 ThreadLocalMap，key 是弱引用、value 是强引用。线程池里线程长期存活，用完不 remove() 就会泄漏，还会串数据。InheritableThreadLocal 可传给子线程，但线程池下不可靠；异步场景用 TransmittableThreadLocal 或显式传参。

补遗：阻塞队列与 CompletableFuture

常用队列：ArrayBlockingQueue（有界数组）、LinkedBlockingQueue（链表，默认无界要当心）、SynchronousQueue（不存储）、PriorityBlockingQueue（优先级）、DelayQueue（延迟）。

CompletableFuture 的常用组合：thenApply（转换）、thenCompose（串行依赖）、thenCombine（并行合并）、allOf/anyOf、exceptionally/handle。默认用 ForkJoinPool.commonPool，IO 密集要传自定义线程池，否则会拖垮公共池。

补遗：虚拟线程

JDK 21 的虚拟线程由 JVM 调度，阻塞时自动让出载体线程，适合高并发 IO。它不适合 CPU 密集，也不需要池化（创建很便宜）。注意 synchronized 阻塞可能钉住载体线程，必要时换 ReentrantLock。

配套题目

★ 越多越该先背；点题目可看完整答案与深入版。

• ★★★★★ 线程池的核心参数有哪些？为什么不推荐用 Executors 创建？
• ★★★★☆ synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别？怎么选？
• ★★★★☆ volatile 能保证原子性吗？它解决了什么问题？
• ★★★★☆ AQS 的原理是什么？为什么它能支撑这么多种并发工具？
• ★★★★☆ ThreadLocal 为什么会内存泄漏？在线程池下要注意什么？