面试题：Java ThreadPoolExecutor内部锁的竞争优化

Question

在ThreadPoolExecutor中，当多个线程同时访问和修改线程池状态及任务队列时，内部锁机制是如何进行优化以减少锁竞争的？请详细说明其实现原理。

Answer 1

1. 使用不同的锁来控制不同的资源：
   • 任务队列锁：ThreadPoolExecutor使用ReentrantLock来保护任务队列。例如，当向任务队列添加任务（execute方法中添加任务到workQueue）或者从任务队列获取任务（getTask方法从workQueue获取任务）时，会获取这个锁。这使得对任务队列的并发访问得到控制，避免多个线程同时修改任务队列导致数据不一致。
   • 线程池状态锁：线程池状态（如RUNNING、SHUTDOWN等）的改变通过AtomicInteger类型的ctl变量来控制。ctl不仅存储线程池状态，还存储线程数量信息。由于AtomicInteger是基于硬件级别的原子操作实现的，在更新线程池状态时不需要像普通变量那样使用锁，从而减少了锁竞争。例如，在shutdown方法中改变线程池状态为SHUTDOWN时，通过ctl的原子操作来实现。
2. 基于CAS（Compare - and - Swap）操作：
   • 在一些关键操作中，如线程池状态改变和线程数量调整，使用了CAS操作。例如，在addWorker方法中尝试增加工作线程时，会使用compareAndIncrementWorkerCount方法，这个方法内部基于AtomicInteger的compareAndSet操作来原子地增加工作线程数量。如果当前线程池状态和预期状态一致，就会更新线程数量，否则重试。这种方式避免了使用锁来进行线程数量的增减操作，减少了锁竞争。
3. 分离读和写操作：
   • 对于线程池状态等一些读多写少的操作，尽量做到读操作无锁化。由于ctl变量是AtomicInteger类型，读操作（如获取线程池状态、线程数量等）不需要加锁，因为AtomicInteger的读操作是线程安全的。只有在写操作（如改变线程池状态、增减线程数量）时才使用原子操作或者锁机制，这样分离读写操作，减少了读操作时的锁竞争，提高了并发性能。