第七十篇从餐厅后厨到电影院选座：生活场景拆解Java并发编程核心

news2025/6/3 1:27:15

- 一、并发基础：餐厅后厨的协作艺术
- - 1.1 厨师与线程（Thread）
  - 1.2 共享资源竞争：唯一的炒锅
  - 1.3 线程状态转换：厨师工作流
- 二、线程同步：电影院选座中的锁机制
- - 2.1 同步锁（synchronized）：选座系统
  - 2.2 显式锁（ReentrantLock）：VIP选座通道
- 三、线程协作：咖啡厅的点单取餐系统
- - 3.1 生产者-消费者模式
  - 3.2 CountDownLatch：旅行团集合点
- 四、并发工具进阶：超市收银系统
- - 4.1 线程池（ExecutorService）：收银通道管理
  - 4.2 ConcurrentHashMap：实时库存系统
- 五、避坑指南：并发编程常见陷阱
- - 5.1 死锁场景：十字路口的四辆车
  - 5.2 线程饥饿：永远轮不到的普通会员
  - 5.3 内存可见性：过期的餐厅菜单
- 六、性能优化：电影院排片策略
- - 6.1 锁粒度控制
  - 6.2 无锁编程：原子类操作
- 结语：构建高效并发系统

想象一家繁忙的餐厅后厨：主厨指挥多个厨师同时处理订单，服务员在取餐口等待出菜，新订单不断涌入——这正是Java并发编程的完美生活映射。本文将用你熟悉的日常场景，带你掌握高并发系统的构建之道。

一、并发基础：餐厅后厨的协作艺术

1.1 厨师与线程（Thread）

每个厨师就像一个线程：

// 厨师线程类
class ChefThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始烹饪");
        // 模拟烹饪耗时
        try { Thread.sleep(1000); } 
        catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
    }
}

// 启动5个厨师线程
public static void main(String[] args) {
    for (int i=1; i<=5; i++) {
        new ChefThread().start();
    }
}

1.2 共享资源竞争：唯一的炒锅

当多个厨师争抢**同一个炒锅（共享资源）**时：

// 共享炒锅资源
class Wok {
    private boolean inUse = false;
    
    // 加锁使用炒锅
    public synchronized void use(String chefName) {
        if(inUse) return;
        inUse = true;
        System.out.println(chefName + "占用炒锅");
    }
}

1.3 线程状态转换：厨师工作流

线程状态	厨师状态	触发条件
RUNNABLE	正在切菜	获取到食材
BLOCKED	等待炒锅	其他厨师占用炒锅
WAITING	等待服务员传菜	菜品完成但服务员未就位
TIMED_WAITING	定时查看烤箱	设置定时器监控烘焙进度

二、线程同步：电影院选座中的锁机制

2.1 同步锁（synchronized）：选座系统

场景：多人同时在线选座，避免座位重复出售

class Cinema {
    private boolean[] seats = new boolean[100]; // 100个座位
    
    // 同步选座方法
    public synchronized boolean bookSeat(int seatNo) {
        if(!seats[seatNo]) {
            seats[seatNo] = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                            + "成功预订座位" + seatNo);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

2.2 显式锁（ReentrantLock）：VIP选座通道

场景：提供超时等待功能，避免无限期阻塞

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public boolean vipBookSeat(int seatNo) {
    try {
        // 尝试在1秒内获取锁
        if(lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
            if(!seats[seatNo]) {
                seats[seatNo] = true;
                return true;
            }
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if(lock.isHeldByCurrentThread()) {
            lock.unlock();
        }
    }
    return false;
}

三、线程协作：咖啡厅的点单取餐系统

3.1 生产者-消费者模式

场景：顾客（生产者）下单，咖啡师（消费者）制作

BlockingQueue<Order> orderQueue = new ArrayBlockingQueue<>(10);

// 顾客下单
class Customer implements Runnable {
    public void run() {
        orderQueue.put(new Order()); // 队列满时阻塞
    }
}

// 咖啡师制作
class Barista implements Runnable {
    public void run() {
        while(true) {
            Order order = orderQueue.take(); // 队列空时阻塞
            makeCoffee(order);
        }
    }
}

3.2 CountDownLatch：旅行团集合点

场景：导游等待所有游客到齐才发车

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10); // 10人旅行团

// 游客线程
class Tourist extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println(getName() + "到达集合点");
        latch.countDown();
    }
}

// 导游线程
class Guide extends Thread {
    public void run() {
        latch.await(); // 等待所有游客
        System.out.println("所有游客到齐，发车！");
    }
}

四、并发工具进阶：超市收银系统

4.1 线程池（ExecutorService）：收银通道管理

// 开放4个收银通道
ExecutorService cashiers = Executors.newFixedThreadPool(4); 

// 顾客排队结账
for(int i=0; i<20; i++) {
    cashiers.execute(() -> {
        System.out.println("顾客在"+Thread.currentThread().getName()+"结账");
    });
}

cashiers.shutdown(); // 营业结束关闭收银台

4.2 ConcurrentHashMap：实时库存系统

ConcurrentHashMap<String, Integer> inventory = 
    new ConcurrentHashMap<>();

// 多个收银台同时更新库存
inventory.compute("可乐", (k, v) -> v == null ? -1 : v-1);

五、避坑指南：并发编程常见陷阱

5.1 死锁场景：十字路口的四辆车

条件：四个方向的车都等待对方先通行
解决方案：规定通行优先级（锁排序）

5.2 线程饥饿：永远轮不到的普通会员

现象：VIP会员总是优先办理业务
修复：使用公平锁（Fair Lock）

5.3 内存可见性：过期的餐厅菜单

// 错误示例：其他线程可能看不到menuChanged更新
boolean menuChanged = false; 

// 正确做法：使用volatile保证可见性
volatile boolean menuChanged = true;

六、性能优化：电影院排片策略

6.1 锁粒度控制

// 粗粒度锁：锁整个影厅（性能差）
public synchronized void bookSeats(List<Integer> seats) {...}

// 细粒度锁：只锁选定座位（推荐）
public void bookSeats(List<Integer> seats) {
    for (int seat : seats) {
        synchronized (seatLocks[seat]) {
            // 处理单个座位
        }
    }
}

6.2 无锁编程：原子类操作

AtomicInteger availableTickets = new AtomicInteger(100);

// 多个窗口同时售票
public boolean sellTicket() {
    int current = availableTickets.get();
    if(current > 0) {
        return availableTickets.compareAndSet(current, current-1);
    }
    return false;
}