第 40 章：JUC 与 JVM

学习目标

掌握 JUC 常用工具类
理解 CAS 与 AQS
理解 JVM 内存结构与 GC
学会基本的 JVM 调优与排查

一、JUC 全景

二、原子类与 CAS

java

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet();          // ++i，线程安全
count.getAndIncrement();          // i++
count.addAndGet(5);
count.compareAndSet(5, 10);       // 期望是 5 就改成 10

CAS 原理

CAS = Compare And Swap，由 CPU 的 cmpxchg 指令保证原子性，无需加锁。

三个问题：

问题	说明	解决
ABA	值从 A→B→A，CAS 以为没变	`AtomicStampedReference`（加版本号）
自旋开销	竞争激烈时一直失败重试，空耗 CPU	用 `LongAdder` 或改用锁
只能保证一个变量	多变量无法原子更新	`AtomicReference` 包成对象

高并发计数用 LongAdder

java

// ❌ 高竞争下 AtomicLong 自旋严重
AtomicLong counter = new AtomicLong();

// ✅ LongAdder：分段累加，最后求和
LongAdder adder = new LongAdder();
adder.increment();
long sum = adder.sum();

原理：AtomicLong 所有线程抢一个变量；LongAdder 内部维护一个 Cell 数组，不同线程改不同 Cell，最后求和。高并发下性能可以差 5-10 倍。

三、ReentrantLock

java

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void doWork() {
    lock.lock();                         // ① 加锁
    try {
        // 临界区
    } finally {
        lock.unlock();                   // ② 必须放 finally！否则异常时死锁
    }
}

对比 synchronized

维度	`synchronized`	`ReentrantLock`
实现	JVM 关键字	JDK 类（AQS）
释放锁	自动	必须手动 unlock
可中断	❌	✅ `lockInterruptibly()`
超时	❌	✅ `tryLock(3, SECONDS)`
公平锁	❌	✅ `new ReentrantLock(true)`
多条件变量	❌ 只有一个等待队列	✅ `newCondition()`

java

// 独有能力：超时获取锁，避免无限等待
if (lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
    try { doWork(); } finally { lock.unlock(); }
} else {
    log.warn("获取锁超时，降级处理");
}

选择建议：默认用 synchronized（简单、不会忘记释放）。只有需要超时/中断/公平/多条件时才用 ReentrantLock。

四、AQS 简介

AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 是 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore 的共同底层。

不同实现只是对 state 的含义定义不同：

类	state 含义
`ReentrantLock`	重入次数（0=未锁）
`CountDownLatch`	剩余计数
`Semaphore`	剩余许可数
`ReadWriteLock`	高 16 位读锁，低 16 位写锁

五、同步工具类

java

// ① CountDownLatch：等待 N 个任务完成（一次性）
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pool.execute(() -> {
        try { doWork(); } finally { latch.countDown(); }   // 计数 -1
    });
}
latch.await();                    // 阻塞直到计数为 0
System.out.println("全部完成");

// ② Semaphore：限流，控制同时访问的线程数
Semaphore semaphore = new Semaphore(10);
semaphore.acquire();              // 拿许可，没有就阻塞
try { callThirdPartyApi(); } finally { semaphore.release(); }

// ③ CyclicBarrier：所有线程到齐后一起继续（可重复使用）
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> System.out.println("集合完毕"));
barrier.await();

工具	场景
`CountDownLatch`	主线程等待多个子任务完成
`Semaphore`	限制并发数（连接池、接口限流）
`CyclicBarrier`	多线程分阶段同步

六、CompletableFuture 异步编排

java

// 串行：A 完成后用 A 的结果做 B
CompletableFuture.supplyAsync(() -> getUserId(), pool)
        .thenApply(id -> getUserById(id))
        .thenAccept(user -> System.out.println(user));

// 并行：A 和 B 同时跑，都完成后合并
CompletableFuture<User> f1 = CompletableFuture.supplyAsync(this::getUser, pool);
CompletableFuture<Order> f2 = CompletableFuture.supplyAsync(this::getOrder, pool);

CompletableFuture<String> result = f1.thenCombine(f2,
        (user, order) -> user.getName() + " 的订单: " + order.getId());

// 等待全部完成
CompletableFuture.allOf(f1, f2).join();

// 异常处理
CompletableFuture.supplyAsync(() -> riskyCall(), pool)
        .exceptionally(e -> {                    // ① 出异常时的兜底值
            log.error("调用失败", e);
            return defaultValue();
        })
        .orTimeout(3, TimeUnit.SECONDS);         // ② JDK 9+ 超时控制

⚠️ 必须传自定义线程池。不传的话用 ForkJoinPool.commonPool()，它的线程数 = CPU 核数 - 1，一旦有阻塞任务会拖垮整个应用的所有异步逻辑。

实战价值：接口原本串行调 3 个服务各 100ms = 300ms，并行后 = 100ms。

七、JVM 内存结构

区域	存什么	常见异常
堆	所有对象实例	`OutOfMemoryError: Java heap space`
元空间	类元信息（JDK 8 后用本地内存）	`OutOfMemoryError: Metaspace`
虚拟机栈	方法调用的栈帧	`StackOverflowError`（递归太深）
程序计数器	字节码行号	唯一不会 OOM 的区域

八、对象的一生

GC 类型	范围	影响
Minor GC / Young GC	新生代	频繁但快（几毫秒）
Major GC / Old GC	老年代	慢
Full GC	整个堆 + 元空间	最慢，STW 可能几秒

调优的核心目标：减少 Full GC 的频率和时长。

九、垃圾回收器选择

回收器	特点	适用
Serial	单线程	客户端小应用
Parallel	多线程，吞吐优先	后台计算任务
CMS	并发标记清除（JDK 14 已移除）	已淘汰
G1	分区，可预测停顿（JDK 9+ 默认）	通用推荐
ZGC	停顿 < 1ms（JDK 15+ 生产可用）	超大堆、低延迟

bash

# G1（推荐，JDK 17 默认）
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200

# ZGC（超低延迟）
-XX:+UseZGC

十、常用 JVM 参数

bash

java -jar app.jar \
  -Xms2g -Xmx2g \                              # ① 堆初始/最大，设成一样避免动态扩容抖动
  -Xss512k \                                   # ② 单线程栈大小
  -XX:MetaspaceSize=256m \
  -XX:MaxMetaspaceSize=512m \
  -XX:+UseG1GC \
  -XX:MaxGCPauseMillis=200 \                   # ③ 期望的最大停顿时间
  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \            # ④ OOM 时自动 dump，排查救命
  -XX:HeapDumpPath=/data/dump/ \
  -Xlog:gc*:file=/data/gc.log:time,uptime:filecount=5,filesize=100M

④ 强烈建议加上。线上 OOM 是偶发的，没有 dump 文件基本无法定位。

十一、排查工具

bash

# 查进程
jps -l

# 看堆内存使用（每秒刷新一次，共 10 次）
jstat -gcutil <pid> 1000 10

# 看堆里对象占用 Top 20
jmap -histo:live <pid> | head -20

# 导出堆快照（用 MAT / VisualVM 分析）
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>

# 看线程栈（排查死锁、CPU 高）
jstack <pid> > thread.txt

# 看 JVM 参数
jinfo -flags <pid>

CPU 100% 排查四步法

bash

# ① 找出 CPU 高的 Java 进程
top

# ② 找出该进程内 CPU 高的线程（记下 TID）
top -Hp <pid>

# ③ TID 转 16 进制
printf "%x\n" <tid>

# ④ 在线程栈中定位
jstack <pid> | grep -A 30 <十六进制tid>

生产环境更推荐 Arthas（见第 77 章），一条 thread -n 3 就能列出 CPU 最高的 3 个线程及其堆栈。

十二、本章小结

要点	关键
CAS	无锁，有 ABA 问题
LongAdder	高并发计数首选
ReentrantLock	需超时/中断/公平时才用
AQS	JUC 锁的统一底层
CompletableFuture	必须传自定义线程池
堆	新生代（Eden+S0+S1）+ 老年代
Full GC	调优核心目标是减少它
G1	JDK 17 默认，通用推荐
OOM 排查	必须开 `HeapDumpOnOutOfMemoryError`

动手练习

练习 1：基础题

用 CountDownLatch 实现：主线程等待 5 个子线程全部完成后打印「全部完成」，并统计总耗时。

练习 2：进阶题

用 CompletableFuture 实现商品详情页聚合：并行调用「商品基本信息」「库存」「评价数」三个接口（各 sleep 100ms），合并结果。对比串行版本的耗时。

练习 3：实操题

写一段代码故意造成 OOM（不断往 List 里加对象），加上 -Xmx64m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，用 VisualVM 打开 dump 文件找出占内存最大的对象。

🎉 Java 基础部分完结

恭喜！你已经学完了 Java 基础的 40 章。接下来进入 SpringBoot 企业级开发部分。

下一章：第 41 章：Spring 生态全景 →

第 40 章：JUC 与 JVM ​

一、JUC 全景 ​

二、原子类与 CAS ​

CAS 原理 ​

高并发计数用 LongAdder ​

三、ReentrantLock ​

对比 synchronized ​

四、AQS 简介 ​

五、同步工具类 ​

六、CompletableFuture 异步编排 ​

七、JVM 内存结构 ​

八、对象的一生 ​

九、垃圾回收器选择 ​

十、常用 JVM 参数 ​

十一、排查工具 ​

CPU 100% 排查四步法 ​

十二、本章小结 ​

动手练习 ​

练习 1：基础题 ​

练习 2：进阶题 ​

练习 3：实操题 ​

第 40 章：JUC 与 JVM

一、JUC 全景

二、原子类与 CAS

CAS 原理

高并发计数用 LongAdder

三、ReentrantLock

对比 synchronized

四、AQS 简介

五、同步工具类

六、CompletableFuture 异步编排

七、JVM 内存结构

八、对象的一生

九、垃圾回收器选择

十、常用 JVM 参数

十一、排查工具

CPU 100% 排查四步法

十二、本章小结

动手练习

练习 1：基础题

练习 2：进阶题

练习 3：实操题