面试题：Java线程安全设计在高并发场景下的优化与挑战

高并发场景下可能出现的线程安全问题

竞态条件（Race Condition）：多个线程同时访问和修改商品库存变量，导致最终库存数量不准确。例如，两个线程同时读取库存为10，然后各自进行扣减操作，都认为库存足够，但实际库存可能被多扣减了。
脏读（Dirty Read）：一个线程读取到另一个线程尚未提交的修改后的库存值，可能导致业务逻辑出现错误。

解决方案

使用锁机制：
- synchronized关键字：可以在方法或代码块级别使用。例如：

public class Product {
    private int stock;
    public synchronized boolean reduceStock(int amount) {
        if (stock >= amount) {
            stock -= amount;
            return true;
        }
        return false;
    }
}

- **ReentrantLock**：提供了比`synchronized`更灵活的锁控制，例如可中断的锁获取、公平锁等。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Product {
    private int stock;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public boolean reduceStock(int amount) {
        lock.lock();
        try {
            if (stock >= amount) {
                stock -= amount;
                return true;
            }
            return false;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

原子类：使用AtomicInteger来处理库存数量。AtomicInteger提供了原子操作方法，如getAndDecrement、compareAndSet等。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Product {
    private AtomicInteger stock = new AtomicInteger();
    public boolean reduceStock(int amount) {
        while (true) {
            int current = stock.get();
            if (current < amount) {
                return false;
            }
            if (stock.compareAndSet(current, current - amount)) {
                return true;
            }
        }
    }
}

数据库事务：在数据库层面进行库存扣减操作，并通过事务来保证数据的一致性。例如使用JDBC的事务管理：

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.SQLException;
public class ProductDAO {
    public boolean reduceStock(int productId, int amount) {
        try (Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/ecommerce", "user", "password");
             PreparedStatement pstmt = conn.prepareStatement("UPDATE products SET stock = stock -? WHERE product_id =? AND stock >=?")) {
            conn.setAutoCommit(false);
            pstmt.setInt(1, amount);
            pstmt.setInt(2, productId);
            pstmt.setInt(3, amount);
            int rowsAffected = pstmt.executeUpdate();
            if (rowsAffected > 0) {
                conn.commit();
                return true;
            }
            conn.rollback();
            return false;
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
    }
}

性能优化

锁优化：
- 减小锁粒度：例如对每个商品独立加锁，而不是对整个库存加锁。
- 读写锁分离：如果读操作远多于写操作，可以使用ReentrantReadWriteLock，允许多个线程同时读，但写操作需要独占锁。
使用缓存：在应用层使用缓存（如Redis）来存储库存信息，减少对数据库的直接访问。只有在缓存更新失败或缓存数据过期时才访问数据库。

可能面临的挑战及应对策略

死锁：多个线程相互等待对方释放锁，导致程序无法继续执行。
- 应对策略：使用资源分配图算法（如死锁检测算法）定期检测死锁；按照一定顺序获取锁，避免交叉获取锁。
性能瓶颈：锁的竞争过于激烈，导致系统性能下降。
- 应对策略：优化锁的使用，采用更细粒度的锁；增加缓存的命中率，减少对锁资源的竞争。
缓存一致性问题：缓存与数据库数据不一致。
- 应对策略：采用缓存更新策略，如读写都更新缓存；使用缓存失效机制，定期或在数据变化时使缓存失效。

面试题：Java线程安全设计在高并发场景下的优化与挑战

知识考点

面试题答案

高并发场景下可能出现的线程安全问题

解决方案

性能优化

可能面临的挑战及应对策略