高并发问题与排查

一、常见高并发底层问题

1. 锁竞争 & 上下文切换

（1）锁竞争

• 现象：大量线程争抢同一把锁，大量 BLOCKED 线程，请求排队、接口 rt 飙升、吞吐量下降。
• 原因：
  1. synchronized / ReentrantLock 锁粒度过大
  2. 共享变量无脑加锁，串行化严重
  3. 全局唯一大锁，并发退化串行
• 后果：锁等待耗时、服务吞吐上不去、高峰期雪崩。

（2）上下文切换

CPU 线程来回切换执行：

• 线程过多、频繁阻塞 / 唤醒、竞争激烈，都会触发频繁上下文切换
• 每次切换：保存现场 → 恢复现场，消耗 CPU 资源
• 现象：CPU 高负载但业务代码不复杂，系统整体变慢

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2. 伪共享（False Sharing）

原理

CPU 缓存以 CacheLine（缓存行，64 字节） 为最小单位。

• 多个独立变量落在同一个缓存行
• 线程 A 修改变量 A，会导致同一行内变量 B 缓存失效
• 线程 B 修改变量 B 也要重新刷缓存
• 互不相关的变量互相干扰，频繁缓存失效，性能暴跌

场景

并发框架、计数器、批量统计、多线程高频读写独立变量。

解决

• 缓存行填充：@sun.misc.Contended 注解（JDK1.8+）
• 拆分对象、避免高频读写字段紧邻

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3. GC 压力过大

高并发下高频问题：

1. 瞬时流量大，创建大量短生命周期对象 → YoungGC 频繁
2. 本地缓存、大集合、线程池堆积 → 对象老化，FullGC 频繁
3. 并发容器 / 异步任务堆积 → 内存持续上涨，最终 OOM
4. GC 停顿时间变长，接口抖动、超时

高并发 GC 典型诱因

• 大量临时字符串、DTO、循环内创建对象
• 无界队列、无限积压任务
• ThreadLocal 不回收导致内存泄漏

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二、线上排查工具 & 实战用法

1. jstack （最常用）

作用：查看线程快照、定位死锁、阻塞、死循环

jstack -l pid > thread.log

能排查什么

1. 死锁：搜索 Found one Java-level deadlock
2. 线程阻塞：大量 BLOCKED 等待锁
3. 线程卡死：WAITING / TIMED_WAITING 堆积
4. 无限循环：RUNNABLE 一直占用 CPU

2. jconsole

可视化 JDK 自带工具：

• 线程状态监控、死锁检测
• 堆内存、线程数、GC 趋势
• 适合简单快速排查、本地 / 测试环境

3. Arthas（线上最强排查）

核心常用命令：

1. thread：查看全部线程、CPU 占比、阻塞线程、死锁
2. trace：追踪接口耗时，定位慢方法
3. watch：监听方法入参 / 出参 / 异常
4. gc：实时查看 GC 频率、堆内存
5. dashboard：全局 CPU、内存、线程、负载面板

高并发必备：不用重启、不侵入代码，线上快速定位：

• 锁等待、慢接口、死循环、内存泄漏、线程堆积

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三、典型故障定位

1. 死锁

• 现象：接口长期卡住、无报错、CPU 不高、线程大量 BLOCKED
• 排查：jstack / arthas thread 直接检测循环锁依赖
• 根源：互相持有对方锁、循环等待

2. 线程阻塞（非死锁）

• 等待外部接口、数据库、redis、锁、Condition、park
• 大量 WAITING 线程堆积
• 线程池队列爆满、拒绝策略触发

3. CPU 飙高

• 死循环、复杂计算、频繁序列化、频繁 GC
• 用 arthas thread -n 5 看 TOP CPU 线程

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四、高并发性能优化核心思路

1. 减小锁粒度、降低锁竞争

• 拆分大锁 → 细粒度锁
• 读写分离：ReentrantReadWriteLock
• 无锁优化：CAS、ThreadLocal、局部变量
• 杜绝锁嵌套、缩短锁内代码执行时间

2. 合理线程池设计

• 区分 IO 密集 / CPU 密集 配置线程数
• 全部使用有界队列，限制最大线程，防 OOM
• 自定义拒绝策略：告警 + 降级 + 任务落地
• 异步任务指定独立线程池，避免公共池互相影响

3. 减少上下文切换

• 控制线程总数，不要无限创建线程
• 避免频繁短等待、频繁唤醒 / 阻塞
• 业务合并、批量处理，减少线程交互

4. 内存 & GC 优化

• 复用对象、池化思想（连接池、对象池）
• 避免循环创建临时对象
• 合理设置 JVM 参数：新生代大小、GC 收集器 (G1/ZGC)
• 定时清理本地缓存、ThreadLocal.remove ()

5. 并发容器替代普通容器

• ConcurrentHashMap 替代 HashMap
• CopyOnWriteArrayList 读多写少场景
• 阻塞队列解耦生产者消费者，削峰填谷

6. 异步 + 削峰 + 缓存

• 核心接口多级缓存（本地缓存 + 分布式缓存）
• 非核心逻辑异步化（CompletableFuture、MQ）
• 限流、熔断、降级，保护核心服务
• 批量聚合、合并请求，降低 QPS 压力

7. 规避底层坑

• 解决伪共享、缓存行竞争
• 避免大事务、长连接阻塞
• 数据库 / 中间件连接池合理配置，防止连接耗尽

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极简背诵总结

1. 锁竞争：锁粒度过大、全局大锁 → 接口阻塞、吞吐低；

   上下文切换：线程过多、频繁阻塞唤醒 → CPU 损耗。

2. 伪共享：多变量共用缓存行，互相缓存失效；用缓存行填充解决。

3. GC 压力：短对象泛滥、无界积压、内存泄漏 → 频繁 GC、OOM。

4. 排查工具：

   • jstack：线程快照、死锁；
   • jconsole：简易可视化监控；
   • Arthas：线上全能排查，定位慢方法、阻塞、CPU。

5. 优化方向：

   减小锁粒度 + 合理线程池 + 异步削峰 + 缓存 + GC 优化 + 并发容器 + 限流降级。