2021最新 Java高并发面试题【110题】(附刷题小程序)

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最近梳理汇总了Java面试常遇到的面试题;并将其开发成小程序《面试手册》,方便大家阅读,可微信扫描文章开头的二维码使用;包含了 Java基础并发JVM数据库SpringSpringMVCSpringBootSpringCloud设计模式MQLinuxDocker等多个类型,资料持续更新中;

本人不才,如出现错误或者不准确的地方,望各位大神指正。

更多类型持续完善中。。。


1. 并发基础

1.1 并行和并发有什么区别?

  • 并行
    多个处理器或多核处理器同时处理多个任务。
  • 并发
    多个任务在同一个 CPU 核上,按细分的时间片轮流(交替)执行,从逻辑上来看那些任务是同时执行。
  • 串行
    有n个任务,由一个线程按顺序执行。由于任务、方法都在一个线程执行所以不存在线程不安全情况,也就不存在临界区的问题。

1.2 同步和异步有何异同,在什么情况下分别使用他们?

如果数据将在线程间共享。例如正在写的数据以后可能被另一个线程读到,或者正在读的数据可能已经被另一个线程写过了,那么这些数据就是共享数据,必须进行同步存取。

当应用程序在对象上调用了一个需要花费很长时间来执行的方法,并且不希望让程序等待方法的返回时,就应该使用异步编程,在很多情况下采用异步途径往往更有效率。

1.3 为什么要使用并发编程?

  • 充分利用多核CPU的计算能力
    通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致,性能得到提升
  • 方便进行业务拆分,提升系统并发能力和性能
    在特殊的业务场景下,先天的就适合于并发编程。现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量,而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础,利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。面对复杂业务模型,并行程序会比串行程序更适应业务需求,而并发编程更能吻合这种业务拆分 。

1.4 并发编程有什么缺点?

并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率,提高程序运行速度,但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的,而且并发编程可能会遇到很多问题,比如:

  • 内存泄漏
  • 上下文切换
  • 线程安全
  • 死锁

等问题。

1.5 并发编程三要素是什么?

  • 原子性
    原子,即一个不可再被分割的颗粒。原子性指的是一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败。
  • 可见性
    一个线程对共享变量的修改,另一个线程能够立刻看到。(synchronized,volatile)
  • 有序性
    程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。(处理器可能会对指令进行重排序)

1.6 什么是上下文切换?

多线程编程中一般线程的个数都大于 CPU 核心的个数,而一个 CPU 核心在任意时刻只能被一个线程使用,为了让这些线程都能得到有效执行,CPU 采取的策略是为每个线程分配时间片并轮转的形式。当一个线程的时间片用完的时候就会重新处于就绪状态让给其他线程使用,这个过程就属于一次上下文切换。

概括来说就是:当前任务在执行完 CPU 时间片切换到另一个任务之前会先保存自己的状态,以便下次再切换回这个任务时,可以再加载这个任务的状态。任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换

上下文切换通常是计算密集型的。也就是说,它需要相当可观的处理器时间,在每秒几十上百次的切换中,每次切换都需要纳秒量级的时间。所以,上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间,事实上,可能是操作系统中时间消耗最大的操作。

Linux 相比与其他操作系统(包括其他类 Unix 系统)有很多的优点,其中有一项就是,其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。

2. Java 线程

2.1 线程和进程的区别?

线程具有许多传统进程所具有的特征,故又称为轻型进程(Light—Weight Process)或进程元;而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight Process),它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中,通常一个进程都有若干个线程,至少包含一个线程。

  • 根本区别

    • 进程是操作系统资源分配的基本单位
    • 线程是处理器任务调度和执行的基本单位
  • 资源开销

    • 每个进程都有独立的代码和数据空间(程序上下文),程序之间的切换会有较大的开销;
    • 线程可以看做轻量级的进程,同一类线程共享代码和数据空间,每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器(PC),线程之间切换的开销小。
  • 包含关系

    • 如果一个进程内有多个线程,则执行过程不是一条线的,而是多条线(线程)共同完成的;
    • 线程是进程的一部分,所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
  • 内存分配
    同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源,而进程之间的地址空间和资源是相互独立的

  • 影响关系
    一个进程崩溃后,在保护模式下不会对其他进程产生影响,但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。

  • 执行过程

    • 每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口;
    • 线程不能独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制,两者均可并发执行

2.2 守护线程是什么?

守护线程是运行在后台的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。在 Java 中垃圾回收线程就是特殊的守护线程。

2.3 创建线程有哪几种方式?

3种方式:

  • 继承 Thread 重新 run 方法;
  • 实现 Runnable 接口;
  • 实现 Callable 接口;

2.4 runnable 和 callable 有什么区别?

  • 相同点

    • 都是接口
    • 都可以编写多线程程序
    • 都采用Thread.start()启动线程
  • 区别

    • 返回值

      • Runnable 接口 run 方法无返回值;
      • Callable 接口 call 方法有返回值,是个泛型,和Future、FutureTask配合可以用来获取异步执行的结果
    • 异常

      • Runnable 接口 run 方法只能抛出运行时异常,且无法捕获处理;
      • Callable 接口 call 方法允许抛出异常,可以获取异常信息

:Callalbe接口支持返回执行结果,需要调用FutureTask.get()得到,此方法会阻塞主进程的继续往下执行,如果不调用不会阻塞。

2.5 线程有哪些状态?

  • NEW
    尚未启动
  • RUNNABLE
    正在执行中
  • BLOCKED
    阻塞的(被同步锁或者IO锁阻塞)
  • WAITING
    永久等待状态
  • TIMED_WAITING
    等待指定的时间重新被唤醒的状态
  • TERMINATED
    执行完成

2.6 线程的 run() 和 start() 有什么区别?

每个线程都是通过某个特定Thread对象所对应的方法run()来完成其操作的,run()方法称为线程体。通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程。

  • start() 方法用于启动线程,run() 方法用于执行线程的运行时代码。
  • run() 可以重复调用,而 start() 只能调用一次。

start()方法来启动一个线程,真正实现了多线程运行。调用start()方法无需等待run方法体代码执行完毕,可以直接继续执行其他的代码; 此时线程是处于就绪状态,并没有运行。 然后通过此Thread类调用方法run()来完成其运行状态, run()方法运行结束, 此线程终止。然后CPU再调度其它线程。

run()方法是在本线程里的,只是线程里的一个函数,而不是多线程的。 如果直接调用run(),其实就相当于是调用了一个普通函数而已,直接待用run()方法必须等待run()方法执行完毕才能执行下面的代码,所以执行路径还是只有一条,根本就没有线程的特征,所以在多线程执行时要使用start()方法而不是run()方法。

2.7 stop() 和 suspend() 方法为何不推荐使用?

  • stop()
    因为它不安全。它会解除由线程获取的所有锁定,而且如果对象处于一种不连贯状态,那么其他线程能在那种状态下检查和修改它们。结果很难检查出真正的问题所在。
  • suspend()
    该方法容易发生死锁。调用 suspend() 的时候,目标线程会停下来,但却仍然持有在这之前获得的锁定。此时,其他任何线程都不能访问锁定的资源,除非被 "挂起" 的线程恢复运行。对任何线程来说,如果它们想恢复目标线程,同时又试图使用任何一个锁定的资源,就会造成死锁。所以不应该使用 suspend(),而应在自己的 Thread 类中置入一个标志,指出线程应该活动还是挂起。若标志指出线程应该挂起,便用 wait() 命其进入等待状态。若标志指出线程应当恢复,则用一个 notify() 重新启动线程。

2.8 在 Java 程序中怎么保证多线程的运行安全?

  • 出现线程安全问题的原因

    • 线程切换带来的原子性问题
    • 缓存导致的可见性问题
    • 编译优化带来的有序性问题
  • 解决办法

    • JDK Atomic开头的原子类、synchronized、LOCK,可以解决原子性问题
    • synchronized、volatile、LOCK,可以解决可见性问题
    • Happens-Before 规则可以解决有序性问题

2.9 什么是多线程,多线程的优劣?

  • 什么是多线程?
    多线程是指程序中包含多个执行流,即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务。
  • 多线程的好处
    可以提高 CPU 的利用率。在多线程程序中,一个线程必须等待的时候,CPU 可以运行其它的线程而不是等待,这样就大大提高了程序的效率。也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。
  • 多线程的劣势
    • 线程也是程序,所以线程需要占用内存,线程越多占用内存也越多;
    • 多线程需要协调和管理,所以需要 CPU 时间跟踪线程;
    • 线程之间对共享资源的访问会相互影响,必须解决竞用共享资源的问题。

2.10 守护线程和用户线程有什么区别呢?

守护线程和用户线程

  • 用户 (User) 线程
    运行在前台,执行具体的任务,如程序的主线程、连接网络的子线程等都是用户线程
  • 守护 (Daemon) 线程
    运行在后台,为其他前台线程服务。也可以说守护线程是 JVM 中非守护线程的**“佣人”**。一旦所有用户线程都结束运行,守护线程会随 JVM 一起结束工作

main 函数所在的线程就是一个用户线程啊,main 函数启动的同时在 JVM 内部同时还启动了好多守护线程,比如垃圾回收线程。

比较明显的区别之一是用户线程结束,JVM 退出,不管这个时候有没有守护线程运行。而守护线程不会影响 JVM 的退出。

注意事项:

  1. setDaemon(true)必须在start()方法前执行,否则会抛出IllegalThreadStateException 异常
  2. 在守护线程中产生的新线程也是守护线程
  3. 不是所有的任务都可以分配给守护线程来执行,比如读写操作或者计算逻辑
  4. 守护 (Daemon) 线程中不能依靠 finally 块的内容来确保执行关闭或清理资源的逻辑。因为我们上面也说过了一旦所有用户线程都结束运行,守护线程会随 JVM 一起结束工作,所以守护 (Daemon) 线程中的 finally 语句块可能无法被执行。

2.11 如何通过Thread 类创建线程?

步骤

  1. 定义一个Thread类的子类,重写run方法,将相关逻辑实现,run()方法就是线程要执行的业务逻辑方法
  2. 创建自定义的线程子类对象
  3. 调用子类实例的star()方法来启动线程
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run()方法正在执行...");
    }
}
public class TheadTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();   
        myThread.start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " main()方法执行结束");
    }
}

运行结果

main main()方法执行结束
Thread-0 run()方法正在执行...

2.12 如何通过Runnable 接口创建线程?

步骤

  1. 定义Runnable接口实现类MyRunnable,并重写run()方法
  2. 创建MyRunnable实例myRunnable,以myRunnable作为target创建Thead对象,该Thread对象才是真正的线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run()方法执行中...");
    }
}
public class RunnableTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        thread.start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " main()方法执行完成");
    }
}

执行结果

main main()方法执行完成
Thread-0 run()方法执行中...

2.13 如何通过Callable 接口创建线程?

步骤

  1. 创建实现Callable接口的类myCallable
  2. 以myCallable为参数创建FutureTask对象
  3. 将FutureTask作为参数创建Thread对象
  4. 调用线程对象的start()方法
public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " call()方法执行中...");
        return 1;
    }
}
public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(new MyCallable());
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("返回结果 " + futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " main()方法执行完成");
    }
}

执行结果

Thread-0 call()方法执行中...
返回结果 1
main main()方法执行完成

2.14 什么是 Callable 和 Future?

Callable 接口类似于 Runnable,从名字就可以看出来了,但是 Runnable 不会返回结果,并且无法抛出返回结果的异常,而 Callable 功能更强大一些,被线程执行后,可以返回值,这个返回值可以被 Future 拿到,也就是说,Future 可以拿到异步执行任务的返回值。

Future 接口表示异步任务,是一个可能还没有完成的异步任务的结果。所以说 Callable用于产生结果,Future 用于获取结果。

2.15 什么是 FutureTask?

FutureTask 表示一个异步运算的任务。FutureTask 里面可以传入一个 Callable 的具体实现类,可以对这个异步运算的任务的结果进行等待获取、判断是否已经完成、取消任务等操作。只有当运算完成的时候结果才能取回,如果运算尚未完成 get 方法将会阻塞。一个 FutureTask 对象可以对调用了 Callable 和 Runnable 的对象进行包装,由于 FutureTask 也是Runnable 接口的实现类,所以 FutureTask 也可以放入线程池中。

2.16 Java 中用到的线程调度算法是什么?

计算机通常只有一个 CPU,在任意时刻只能执行一条机器指令,每个线程只有获得CPU 的使用权才能执行指令。所谓多线程的并发运行,其实是指从宏观上看,各个线程轮流获得 CPU 的使用权,分别执行各自的任务。在运行池中,会有多个处于就绪状态的线程在等待 CPU,JAVA 虚拟机的一项任务就是负责线程的调度,线程调度是指按照特定机制为多个线程分配 CPU 的使用权。

有两种调度模型:分时调度模型和抢占式调度模型。

分时调度模型是指让所有的线程轮流获得 cpu 的使用权,并且平均分配每个线程占用的 CPU 的时间片这个也比较好理解。

Java虚拟机采用抢占式调度模型,是指优先让可运行池中优先级高的线程占用CPU,如果可运行池中的线程优先级相同,那么就随机选择一个线程,使其占用CPU。处于运行状态的线程会一直运行,直至它不得不放弃 CPU。

2.17 线程的调度策略是什么?

线程调度器选择优先级最高的线程运行,但是,如果发生以下情况,就会终止线程的运行:

  1. 线程体中调用了 yield 方法让出了对 cpu 的占用权利
  2. 线程体中调用了 sleep 方法使线程进入睡眠状态
  3. 线程由于 IO 操作受到阻塞
  4. 另外一个更高优先级线程出现
  5. 在支持时间片的系统中,该线程的时间片用完

2.18 什么是线程调度器(Thread Scheduler)和时间分片(Time Slicing )?

线程调度器是一个操作系统服务,它负责为 Runnable 状态的线程分配 CPU 时间。一旦我们创建一个线程并启动它,它的执行便依赖于线程调度器的实现。

时间分片是指将可用的 CPU 时间分配给可用的 Runnable 线程的过程。分配 CPU 时间可以基于线程优先级或者线程等待的时间。

线程调度并不受到 Java 虚拟机控制,所以由应用程序来控制它是更好的选择(也就是说不要让你的程序依赖于线程的优先级)。

2.19 请说出与线程同步以及线程调度相关的方法。

  1. wait():
    使一个线程处于等待(阻塞)状态,并且释放所持有的对象的锁;
  2. sleep():
    使一个正在运行的线程处于睡眠状态,是一个静态方法,调用此方法要处理 InterruptedException 异常;
  3. notify():
    唤醒一个处于等待状态的线程,当然在调用此方法的时候,并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程,而是由 JVM 确定唤醒哪个线程,而且与优先级无关;
  4. notityAll():
    唤醒所有处于等待状态的线程,该方法并不是将对象的锁给所有线程,而是让它们竞争,只有获得锁的线程才能进入就绪状态;

2.20 如何停止一个正在运行的线程?

在java中有以下3种方法可以终止正在运行的线程:

  1. 使用退出标志,使线程正常退出,也就是当run方法完成后线程终止。
  2. 使用stop方法强行终止,但是不推荐这个方法,因为stop和suspend及resume一样都是过期作废的方法。
  3. 使用interrupt方法中断线程。

2.21 线程类的构造方法、静态块是被哪个线程调用的?

这是一个非常刁钻和狡猾的问题。请记住:线程类的构造方法、静态块是被 new这个线程类所在的线程所调用的,而 run 方法里面的代码才是被线程自身所调用的。

如果说上面的说法让你感到困惑,那么我举个例子,假设 Thread2 中 new 了Thread1,main 函数中 new 了 Thread2,那么:

  1. Thread2 的构造方法、静态块是 main 线程调用的,Thread2 的 run()方法是Thread2 自己调用的
  2. Thread1 的构造方法、静态块是 Thread2 调用的,Thread1 的 run()方法是Thread1 自己调用的

3. Java 线程调度

3.1 sleep() 和 wait() 有什么区别?

  • 来源的不同

    • sleep() 来自 Thread
    • wait() 来自 Object。
  • 释放锁

    • sleep() 不释放锁
    • wait() 释放锁。
  • 用法不同

    • sleep() 时间到会自动恢复;
    • wait() 可以使用 notify()/notifyAll()直接唤醒。
  • 用途不同

    • wait 通常被用于线程间交互/通信
    • sleep 通常被用于暂停执行。

3.2 notify()和 notifyAll()有什么区别?

notifyAll()会唤醒所有的线程,notify()之后唤醒一个线程。

notifyAll() 调用后,会将全部线程由等待池移到锁池,然后参与锁的竞争,竞争成功则继续执行,如果不成功则留在锁池等待锁被释放后再次参与竞争。而 notify()只会唤醒一个线程,具体唤醒哪一个线程由虚拟机控制。

3.3 你是如何调用 wait() 方法的?使用 if 块还是循环?为什么?

处于等待状态的线程可能会收到错误警报和伪唤醒,如果不在循环中检查等待条件,程序就会在没有满足结束条件的情况下退出。

wait() 方法应该在循环调用,因为当线程获取到 CPU 开始执行的时候,其他条件可能还没有满足,所以在处理前,循环检测条件是否满足会更好。下面是一段标准的使用 wait 和 notify 方法的代码:

synchronized (monitor) {
    //  判断条件谓词是否得到满足
    while(!locked) {
        //  等待唤醒
        monitor.wait();
    }
    //  处理其他的业务逻辑
}

3.4 为什么线程通信的方法 wait(), notify()和 notifyAll()被定义在 Object 类里?

Java中,任何对象都可以作为锁,并且 wait(),notify()等方法用于等待对象的锁或者唤醒线程,在 Java 的线程中并没有可供任何对象使用的锁,所以任意对象调用方法一定定义在Object类中。

wait(), notify()和 notifyAll()这些方法在同步代码块中调用

有的人会说,既然是线程放弃对象锁,那也可以把wait()定义在Thread类里面啊,新定义的线程继承于Thread类,也不需要重新定义wait()方法的实现。然而,这样做有一个非常大的问题,一个线程完全可以持有很多锁,你一个线程放弃锁的时候,到底要放弃哪个锁?当然了,这种设计并不是不能实现,只是管理起来更加复杂。

综上所述,wait()、notify()和notifyAll()方法要定义在Object类中。

3.5 为什么 wait(), notify()和 notifyAll()必须在同步方法或者同步块中被调用?

当一个线程需要调用对象的 wait()方法的时候,这个线程必须拥有该对象的锁,接着它就会释放这个对象锁并进入等待状态直到其他线程调用这个对象上的 notify()方法。同样的,当一个线程需要调用对象的 notify()方法时,它会释放这个对象的锁,以便其他在等待的线程就可以得到这个对象锁。由于所有的这些方法都需要线程持有对象的锁,这样就只能通过同步来实现,所以他们只能在同步方法或者同步块中被调用。

3.6 Thread 类中的 yield 方法有什么作用?

使当前线程从执行状态(运行状态)变为可执行态(就绪状态)。

当前线程到了就绪状态,那么接下来哪个线程会从就绪状态变成执行状态呢?可能是当前线程,也可能是其他线程,看系统的分配了。

3.7 为什么 Thread 类的 sleep()和 yield ()方法是静态的?

Thread 类的 sleep()和 yield()方法将在当前正在执行的线程上运行。所以在其他处于等待状态的线程上调用这些方法是没有意义的。这就是为什么这些方法是静态的。它们可以在当前正在执行的线程中工作,并避免程序员错误的认为可以在其他非运行线程调用这些方法。

3.8 线程的 sleep()方法和 yield()方法有什么区别?

  • 优先级

    • sleep()方法给其他线程运行机会时不考虑线程的优先级,因此会给低优先级的线程以运行的机会;
    • yield()方法只会给相同优先级或更高优先级的线程以运行的机会;
  • 状态

    • 线程执行 sleep()方法后转入阻塞(blocked)状态;
    • 而执行 yield()方法后转入就绪(ready)状态;
  • 异常

    • sleep()方法声明抛出 InterruptedException;
    • 而 yield()方法没有声明任何异常;
  • sleep()方法比 yield()方法(跟操作系统 CPU 调度相关)具有更好的可移植性,通常不建议使用yield()方法来控制并发线程的执行。

3.9 Java 中 interrupted 和 isInterrupted 方法的区别?

  • interrupt:
    用于中断线程。调用该方法的线程的状态为将被置为”中断”状态。

    注意:线程中断仅仅是置线程的中断状态位,不会停止线程。需要用户自己去监视线程的状态为并做处理。支持线程中断的方法(也就是线程中断后会抛出interruptedException 的方法)就是在监视线程的中断状态,一旦线程的中断状态被置为“中断状态”,就会抛出中断异常。

  • interrupted:
    是静态方法,查看当前中断信号是true还是false并且清除中断信号。如果一个线程被中断了,第一次调用 interrupted 则返回 true,第二次和后面的就返回 false 了。
  • isInterrupted:
  • 查看当前中断信号是true还是false

3.10 什么是阻塞式方法?

阻塞式方法是指程序会一直等待该方法完成期间不做其他事情,ServerSocket 的accept()方法就是一直等待客户端连接。这里的阻塞是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起,直到得到结果之后才会返回。此外,还有异步和非阻塞式方法在任务完成前就返回。

3.11 Java 中你怎样唤醒一个阻塞的线程?

首先 ,wait()、notify() 方法是针对对象的,调用任意对象的 wait()方法都将导致线程阻塞,阻塞的同时也将释放该对象的锁,相应地,调用任意对象的 notify()方法则将随机解除该对象阻塞的线程,但它需要重新获取该对象的锁,直到获取成功才能往下执行;

其次,wait、notify 方法必须在 synchronized 块或方法中被调用,并且要保证同步块或方法的锁对象与调用 wait、notify 方法的对象是同一个,如此一来在调用 wait 之前当前线程就已经成功获取某对象的锁,执行 wait 阻塞后当前线程就将之前获取的对象锁释放。

3.12 如何在两个线程间共享数据?

在两个线程间共享变量即可实现共享。

一般来说,共享变量要求变量本身是线程安全的,然后在线程内使用的时候,如果有对共享变量的复合操作,那么也得保证复合操作的线程安全性。

3.13 Java 如何实现多线程之间的通讯和协作?

可以通过中断 和 共享变量的方式实现线程间的通讯和协作

比如说最经典的生产者-消费者模型:当队列满时,生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品,而在等待的期间内,生产者必须释放对临界资源(即队列)的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权,那么消费者就无法消费队列中的商品,就不会让队列有空间,那么生产者就会一直无限等待下去。因此,一般情况下,当队列满时,会让生产者交出对临界资源的占用权,并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品,然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地,当队列空时,消费者也必须等待,等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

  • Java中线程通信协作的最常见的两种方式:

    • syncrhoized加锁的线程的Object类的wait()/notify()/notifyAll()
    • ReentrantLock类加锁的线程的Condition类的await()/signal()/signalAll()
  • 线程间直接的数据交换:

    通过管道进行线程间通信

    • 字节流
    • 字符流

3.14 你对线程优先级的理解是什么?

每一个线程都是有优先级的,一般来说,高优先级的线程在运行时会具有优先权,但这依赖于线程调度的实现,这个实现是和操作系统相关的(OS dependent)。我们可以定义线程的优先级,但是这并不能保证高优先级的线程会在低优先级的线程前执行。线程优先级是一个 int 变量(从 1-10),1 代表最低优先级,10 代表最高优先级。

Java 的线程优先级调度会委托给操作系统去处理,所以与具体的操作系统优先级有关,如非特别需要,一般无需设置线程优先级。

3.15 Java 线程数过多会造成什么异常?

  • 线程的生命周期开销非常高
  • 消耗过多的 CPU
    资源如果可运行的线程数量多于可用处理器的数量,那么有线程将会被闲置。大量空闲的线程会占用许多内存,给垃圾回收器带来压力,而且大量的线程在竞争 CPU资源时还将产生其他性能的开销。
  • 降低稳定性JVM
    在可创建线程的数量上存在一个限制,这个限制值将随着平台的不同而不同,并且承受着多个因素制约,包括 JVM 的启动参数、Thread 构造函数中请求栈的大小,以及底层操作系统对线程的限制等。如果破坏了这些限制,那么可能抛出OutOfMemoryError 异常。

3.16 一个线程运行时发生异常会怎样?

如果异常没有被捕获该线程将会停止执行。Thread.UncaughtExceptionHandler是用于处理未捕获异常造成线程突然中断情况的一个内嵌接口。当一个未捕获异常将造成线程中断的时候,JVM 会使用 Thread.getUncaughtExceptionHandler()来查询线程的 UncaughtExceptionHandler 并将线程和异常作为参数传递给 handler 的 uncaughtException()方法进行处理。

4. Java 线程池

4.1 创建线程池有哪几种方式?

线程池创建有七种方式,最核心的是最后一种:

  • newSingleThreadExecutor()
    它的特点在于工作线程数目被限制为 1,操作一个无界的工作队列,所以它保证了所有任务的都是被顺序执行,最多会有一个任务处于活动状态,并且不允许使用者改动线程池实例,因此可以避免其改变线程数目;
  • newCachedThreadPool()
    它是一种用来处理大量短时间工作任务的线程池,具有几个鲜明特点:它会试图缓存线程并重用,当无缓存线程可用时,就会创建新的工作线程;如果线程闲置的时间超过 60 秒,则被终止并移出缓存;长时间闲置时,这种线程池,不会消耗什么资源。其内部使用 SynchronousQueue 作为工作队列;
  • newFixedThreadPool(int nThreads)
    重用指定数目(nThreads)的线程,其背后使用的是无界的工作队列,任何时候最多有 nThreads 个工作线程是活动的。这意味着,如果任务数量超过了活动队列数目,将在工作队列中等待空闲线程出现;如果有工作线程退出,将会有新的工作线程被创建,以补足指定的数目 nThreads;
  • newSingleThreadScheduledExecutor()
    创建单线程池,返回 ScheduledExecutorService,可以进行定时或周期性的工作调度;
  • newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
    和newSingleThreadScheduledExecutor()类似,创建的是个 ScheduledExecutorService,可以进行定时或周期性的工作调度,区别在于单一工作线程还是多个工作线程;
  • newWorkStealingPool(int parallelism)
    这是一个经常被人忽略的线程池,Java 8 才加入这个创建方法,其内部会构建ForkJoinPool,利用Work-Stealing算法,并行地处理任务,不保证处理顺序;
  • ThreadPoolExecutor()【重要】
    是最原始的线程池创建,上面1-3创建方式都是对ThreadPoolExecutor的封装。

4.2 线程池都有哪些状态?

  • RUNNING
    这是最正常的状态,接受新的任务,处理等待队列中的任务。
  • SHUTDOWN
    不接受新的任务提交,但是会继续处理等待队列中的任务。
  • STOP
    不接受新的任务提交,不再处理等待队列中的任务,中断正在执行任务的线程。
  • TIDYING
    所有的任务都销毁了,workCount 为 0,线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时,会执行钩子方法 terminated()。
  • TERMINATED
    terminated()方法结束后,线程池的状态就会变成这个。

4.3 线程池中 submit() 和 execute() 方法有什么区别?

  • execute():只能执行 Runnable 类型的任务。
  • submit():可以执行 Runnable 和 Callable 类型的任务。
  • Callable 类型的任务可以获取执行的返回值,而 Runnable 执行无返回值。

4.4 如果你提交任务时,线程池队列已满,这时会发生什么?

  • 如果使用的是无界队列 LinkedBlockingQueue,也就是无界队列的话,没关系,继续添加任务到阻塞队列中等待执行,因为 LinkedBlockingQueue 可以近乎认为是一个无穷大的队列,可以无限存放任务
  • 如果使用的是有界队列比如 ArrayBlockingQueue,任务首先会被添加到ArrayBlockingQueue 中,ArrayBlockingQueue 满了,会根据maximumPoolSize 的值增加线程数量,如果增加了线程数量还是处理不过来,ArrayBlockingQueue 继续满,那么则会使用拒绝策略RejectedExecutionHandler 处理满了的任务,默认是 AbortPolicy

4.5 什么是线程池?

线程池顾名思义就是事先创建若干个可执行的线程放入一个池(容器)中,需要的时候从池中获取线程不用自行创建,使用完毕不需要销毁线程而是放回池中,从而减少创建和销毁线程对象的开销。

4.6 线程池有什么优点?

  • 降低资源消耗
    重用存在的线程,减少对象创建销毁的开销。
  • 提高响应速度
    可有效的控制最大并发线程数,提高系统资源的使用率,同时避免过多资源竞争,避免堵塞。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性
    线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一的分配,调优和监控。
  • 附加功能
    提供定时执行、定期执行、单线程、并发数控制等功能。

综上所述使用线程池框架 Executor 能更好的管理线程、提供系统资源使用率。

4.7 什么是 Executor 框架?为什么使用 Executor 框架?

Executor 框架是一个根据一组执行策略调用,调度,执行和控制的异步任务的框架。

每次执行任务创建线程 new Thread()比较消耗性能,创建一个线程是比较耗时、耗资源的,而且无限制的创建线程会引起应用程序内存溢出。

所以创建一个线程池是个更好的的解决方案,因为可以限制线程的数量并且可以回收再利用这些线程。利用Executors 框架可以非常方便的创建一个线程池。

4.8 在 Java 中 Executor 和 Executors 的区别?

  • Executors 工具类的不同方法按照我们的需求创建了不同的线程池,来满足业务的需求。
  • Executor 接口对象能执行我们的线程任务。
  • ExecutorService 接口继承了 Executor 接口并进行了扩展,提供了更多的方法我们能获得任务执行的状态并且可以获取任务的返回值。
  • 使用 ThreadPoolExecutor 可以创建自定义线程池。
  • Future 表示异步计算的结果,他提供了检查计算是否完成的方法,以等待计算的完成,并可以使用 get()方法获取计算的结果。

4.9 什么是线程组,为什么在 Java 中不推荐使用?

ThreadGroup 类,可以把线程归属到某一个线程组中,线程组中可以有线程对象,也可以有线程组,组中还可以有线程,这样的组织结构有点类似于树的形式。

线程组和线程池是两个不同的概念,他们的作用完全不同,前者是为了方便线程的管理,后者是为了管理线程的生命周期,复用线程,减少创建销毁线程的开销。

为什么不推荐使用线程组?因为使用有很多的安全隐患吧,没有具体追究,如果需要使用,推荐使用线程池。

4.10 应该如何创建一个线程池?

创建线程池的方式有多种,这里你只需要答 ThreadPoolExecutor 即可。

ThreadPoolExecutor() 是最原始的线程池创建,也是阿里巴巴 Java 开发手册中明确规范的创建线程池的方式。

4.11 Executors和ThreaPoolExecutor创建线程池的区别?

《阿里巴巴Java开发手册》中强制线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险

Executors 各个方法的弊端:

  • newFixedThreadPool 和 newSingleThreadExecutor:
    主要问题是堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存,甚至 OOM。
  • newCachedThreadPool 和 newScheduledThreadPool:
    主要问题是线程数最大数是 Integer.MAX_VALUE,可能会创建数量非常多的线程,甚至 OOM。

ThreaPoolExecutor创建线程池方式只有一种,就是走它的构造函数,参数自己指定

4.12 ThreadPoolExecutor构造函数重要参数有那些?分别代表什么?

  • **ThreadPoolExecutor**3 个最重要的参数:

    • corePoolSize :核心线程数,线程数定义了最小可以同时运行的线程数量。
    • maximumPoolSize :线程池中允许存在的工作线程的最大数量
    • workQueue:当新任务来的时候会先判断当前运行的线程数量是否达到核心线程数,如果达到的话,任务就会被存放在队列中。
  • ThreadPoolExecutor其他常见参数:

    • keepAliveTime:线程池中的线程数量大于corePoolSize 的时候,如果这时没有新的任务提交,核心线程外的线程不会立即销毁,而是会等待,直到等待的时间超过了keepAliveTime才会被回收销毁;
    • unitkeepAliveTime 参数的时间单位。
    • threadFactory:为线程池提供创建新线程的线程工厂
    • handler :线程池任务队列超过 maxinumPoolSize 之后的拒绝策略

4.13 ThreadPoolExecutor饱和策略是什么?

如果当前同时运行的线程数量达到最大线程数量并且队列也已经被放满了任时,ThreadPoolTaskExecutor 定义一些策略:

  • ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:抛出RejectedExecutionException来拒绝新任务的处理。
  • ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:调用执行自己的线程运行任务。您不会任务请求。但是这种策略会降低对于新任务提交速度,影响程序的整体性能。另外,这个策略喜欢增加队列容量。如果您的应用程序可以承受此延迟并且你不能任务丢弃任何一个任务请求的话,你可以选择这个策略。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:不处理新任务,直接丢弃掉。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy: 此策略将丢弃最早的未处理的任务请求。

举个例子: Spring 通过 ThreadPoolTaskExecutor 或者我们直接通过 ThreadPoolExecutor 的构造函数创建线程池的时候,当我们不指定 RejectedExecutionHandler 饱和策略的话来配置线程池的时候默认使用的是 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy。在默认情况下,ThreadPoolExecutor 将抛出 RejectedExecutionException 来拒绝新来的任务 ,这代表你将丢失对这个任务的处理。 对于可伸缩的应用程序,建议使用 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy。当最大池被填满时,此策略为我们提供可伸缩队列。(这个直接查看 ThreadPoolExecutor 的构造函数源码就可以看出,比较简单的原因,这里就不贴代码了)

5. 线程安全

5.1 在 Java 程序中怎么保证多线程的运行安全?

  • 方法一:使用安全类,比如 Java. util. concurrent 下的类。
  • 方法二:使用自动锁 synchronized。
  • 方法三:使用手动锁 Lock。

手动锁 Java 示例代码如下:

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
  System.out.println("获得锁");
} catch (Exception e) {
  // TODO: handle exception
} finally {
  System.out.println("释放锁");
  lock.unlock();
}

5.2 在监视器(Monitor)内部,是如何做线程同步的?程序应该做哪种级别的同步?

在 java 虚拟机中,每个对象( Object 和 class )通过某种逻辑关联监视器,每个监视器和一个对象引用相关联,为了实现监视器的互斥功能,每个对象都关联着一把锁。

一旦方法或者代码块被 synchronized 修饰,那么这个部分就放入了监视器的监视区域,确保一次只能有一个线程执行该部分的代码,线程在获取锁之前不允许执行该部分的代码

另外 java 还提供了显式监视器( Lock )和隐式监视器( synchronized )两种锁方案

5.3 什么叫线程安全?servlet 是线程安全吗?

线程安全是编程中的术语,指某个方法在多线程环境中被调用时,能够正确地处理多个线程之间的共享变量,使程序功能正确完成。

Servlet 不是线程安全的,servlet 是单实例多线程的,当多个线程同时访问同一个方法,是不能保证共享变量的线程安全性的。

Struts2 的 action 是多实例多线程的,是线程安全的,每个请求过来都会 new 一个新的 action 分配给这个请求,请求完成后销毁。

SpringMVC 的 Controller 是线程安全的吗?不是的,和 Servlet 类似的处理流程。

Struts2 好处是不用考虑线程安全问题;Servlet 和 SpringMVC 需要考虑线程安全问题,但是性能可以提升不用处理太多的 gc,可以使用 ThreadLocal 来处理多线程的问题。

5.4 Java 中怎么获取一份线程 dump 文件?你如何在 Java 中获取线程堆栈?

Dump文件是进程的内存镜像。可以把程序的执行状态通过调试器保存到dump文件中。

  • 在 Linux 下
    你可以通过命令 kill -3 PID (Java 进程的进程 ID)来获取 Java应用的 dump 文件。
  • 在 Windows 下
    你可以按下 Ctrl + Break 来获取。这样 JVM 就会将线程的 dump 文件打印到标准输出或错误文件中,它可能打印在控制台或者日志文件中,具体位置依赖应用的配置。

6. ThreadLocal

6.1 ThreadLocal 是什么?有哪些使用场景?

ThreadLocal 是一个本地线程副本变量工具类,在每个线程中都创建了一个 ThreadLocalMap 对象,简单说 ThreadLocal 就是一种以空间换时间的做法,每个线程可以访问自己内部 ThreadLocalMap 对象内的 value。通过这种方式,避免资源在多线程间共享。

原理:线程局部变量是局限于线程内部的变量,属于线程自身所有,不在多个线程间共享。Java提供ThreadLocal类来支持线程局部变量,是一种实现线程安全的方式。但是在管理环境下(如 web 服务器)使用线程局部变量的时候要特别小心,在这种情况下,工作线程的生命周期比任何应用变量的生命周期都要长。任何线程局部变量一旦在工作完成后没有释放,Java 应用就存在内存泄露的风险。

经典的使用场景是为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection。这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作,不会出现 A 线程关了 B线程正在使用的 Connection; 还有 Session 管理 等问题。

ThreadLocal 使用例子:

public class TestThreadLocal {
  
    //线程本地存储变量
    private static final ThreadLocal THREAD_LOCAL_NUM 
        = new ThreadLocal() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i <3; i++) {//启动三个线程
            Thread t = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    add10ByThreadLocal();
                }
            };
            t.start();
        }
    }  
    /**
     * 线程本地存储变量加 5
     */
    private static void add10ByThreadLocal() {
        for (int i = 0; i <5; i++) {
            Integer n = THREAD_LOCAL_NUM.get();
            n += 1;
            THREAD_LOCAL_NUM.set(n);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : ThreadLocal num=" + n);
        }
    }  
}

打印结果:启动了 3 个线程,每个线程最后都打印到 “ThreadLocal num=5”,而不是 num 一直在累加直到值等于 15

Thread-0 : ThreadLocal num=1
Thread-1 : ThreadLocal num=1
Thread-0 : ThreadLocal num=2
Thread-0 : ThreadLocal num=3
Thread-1 : ThreadLocal num=2
Thread-2 : ThreadLocal num=1
Thread-0 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=2
Thread-1 : ThreadLocal num=3
Thread-1 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=3
Thread-0 : ThreadLocal num=5
Thread-2 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=5
Thread-1 : ThreadLocal num=5

6.2 ThreadLocal造成内存泄漏的原因?

ThreadLocalMap 中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用,而 value 是强引用。所以,如果 ThreadLocal 没有被外部强引用的情况下,在垃圾回收的时候,key 会被清理掉,而 value 不会被清理掉。这样一来,ThreadLocalMap 中就会出现key为null的Entry。假如我们不做任何措施的话,value 永远无法被GC 回收,这个时候就可能会产生内存泄露。ThreadLocalMap实现中已经考虑了这种情况,在调用 set()get()remove() 方法的时候,会清理掉 key 为 null 的记录。使用完 ThreadLocal方法后 最好手动调用 remove()方法

6.3 ThreadLocal内存泄漏解决方案?

  • 每次使用完ThreadLocal,都调用它的remove()方法,清除数据。
  • 在使用线程池的情况下,没有及时清理ThreadLocal,不仅是内存泄漏的问题,更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以,使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样,用完就清理。

7. synchronized

7.1 多线程中 synchronized 锁升级的原理是什么?

  • synchronized 锁升级原理
    在锁对象的对象头里面有一个 threadid 字段,在第一次访问的时候 threadid 为空,jvm 让其持有偏向锁,并将 threadid 设置为其线程 id,再次进入的时候会先判断 threadid 是否与其线程 id 一致,如果一致则可以直接使用此对象,如果不一致,则升级偏向锁为轻量级锁,通过自旋循环一定次数来获取锁,执行一定次数之后,如果还没有正常获取到要使用的对象,此时就会把锁从轻量级升级为重量级锁,此过程就构成了 synchronized 锁的升级。
  • 锁的升级的目的
    锁升级是为了减低了锁带来的性能消耗。在 Java 6 之后优化 synchronized 的实现方式,使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式,从而减低了锁带来的性能消耗。

7.2 synchronized 底层实现原理?

  • 使用及原理
    synchronized 是由一对 monitorenter/monitorexit 指令实现的,monitor 对象是同步的基本实现单元。示例代码:

    public class SynchronizedDemo
    {
        private Object object = new Object();
        public void m(){
            synchronized (object){
                System.out.println("123");
            }
        }
    }

    通过 javap -c -v SynchronizedDemo 可以得到以下字节码

     0 aload_0
     1 getfield #3 
     4 dup
     5 astore_1
     6 monitorenter
     7 getstatic #4 
    10 ldc #5 <123>
    12 invokevirtual #6 
    15 aload_1
    16 monitorexit
    17 goto 25 (+8)
    20 astore_2
    21 aload_1
    22 monitorexit
    23 aload_2
    24 athrow
    25 return

    前面的是monitorenter,后面的是离开monitorexit,不难想象一个线程也执行同步代码块,首先要获取锁,而获取锁的过程就是monitorenter ,在执行完代码块之后,要释放锁,释放锁就是执行monitorexit指令。

  • 为什么会有两个monitorexit呢?
    这个主要是防止在同步代码块中线程因异常退出,而锁没有得到释放,这必然会造成死锁(等待的线程永远获取不到锁)。因此最后一个monitorexit是保证在异常情况下,锁也可以得到释放,避免死锁。
    仅有ACC_SYNCHRONIZED这么一个标志,该标记表明线程进入该方法时,需要monitorenter,退出该方法时需要monitorexit。

  • synchronized可重入的原理
    重入锁是指一个线程获取到该锁之后,该线程可以继续获得该锁。底层原理维护一个计数器,当线程获取该锁时,计数器加一,再次获得该锁时继续加一,释放锁时,计数器减一,当计数器值为0时,表明该锁未被任何线程所持有,其它线程可以竞争获取锁。

  • synchronized的优化
    在 Java 6 之前,monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁,因为需要进行用户态到内核态的切换,所以同步操作是一个无差别的重量级操作,性能也很低。
    但在 Java 6 的时候,Java 虚拟机 对此进行了大刀阔斧地改进,提供了三种不同的 monitor 实现,也就是常说的三种不同的锁:偏向锁(Biased Locking)、轻量级锁和重量级锁,大大改进了其性能。

7.3 synchronized 和 volatile 的区别是什么?

synchronized 表示只有一个线程可以获取作用对象的锁,执行代码,阻塞其他线程。

volatile 表示变量在 CPU 的寄存器中是不确定的,必须从主存中读取。保证多线程环境下变量的可见性;禁止指令重排序。

  • 区别
    • volatile 是变量修饰符;synchronized 是修饰类、方法、代码段。
    • volatile 仅能实现变量的修改可见性,不能保证原子性;而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性。
    • volatile 不会造成线程的阻塞;synchronized 可能会造成线程的阻塞。
    • volatile标记的变量不会被编译器优化;synchronized标记的变量可以被编译器优化。
    • volatile关键字是线程同步的轻量级实现,所以volatile性能肯定比synchronized关键字要好。但是volatile关键字只能用于变量而synchronized关键字可以修饰方法以及代码块。synchronized关键字在JavaSE1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁以及其它各种优化之后执行效率有了显著提升,实际开发中使用 synchronized 关键字的场景还是更多一些

7.4 synchronized 和 Lock 有什么区别?

  • 相同点
    Lock 能完成 synchronized 所实现的所有功能;
  • 不同点
    • Lock 有比 synchronized 更精确的线程语义和更好的性能;
    • synchronized 会自动释放锁,而 Lock 一定要求程序员手工释放,并且必须在finally从句中释放;
    • 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁,而 synchronized 却无法办到
    • Lock 还有更强大的功能,例如,它的 tryLock 方法可以非阻塞方式去拿锁

举例说明(对下面的题用 lock 进行了改写)

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ThreadTest {
/**
*@param args
*/
private int j;
private Lock lock = new ReentrantLock(); 
public static void main(String[] args) {
  //TODO Auto-generated method stub ThreadTest tt = new ThreadTest();
  for(int i=0;i<2;i++)
  {
    new Thread(tt.new Adder()).start();
    new Thread(tt.new Subtractor()).start();
  }
}
private class Subtractor implements Runnable
{
  @Override
  public void run() {
  // TODO Auto-generated method stub
    while(true)
    {
      /*synchronized (ThreadTest.this) { System.out.println("j--=" + j--);
      //这里抛异常了,锁能释放吗?
      }*/
      lock.lock();
      try
      {
        System.out.println("j--=" + j--);
      }finally
      {
        lock.unlock();
      }
    }
  }
}
private class Adder implements Runnable
{
  @Override
  public void run() {
    // TODO Auto-generated method stub
    while(true)
    {
      /*synchronized (ThreadTest.this) { System.out.println("j++=" + j++); }*/
      lock.lock();
      try
      {
        System.out.println("j++=" + j++);
      }finally
      {
        lock.unlock();
      }
    }
  }
}
}

7.5 synchronized 和 ReentrantLock 区别是什么?

synchronized 是和 if、else、for、while 一样的关键字,ReentrantLock 是类,这是二者的本质区别。既然 ReentrantLock 是类,那么它就提供了比synchronized 更多更灵活的特性,可以被继承、可以有方法、可以有各种各样的类变量

synchronized 早期的实现比较低效,对比 ReentrantLock,大多数场景性能都相差较大,但是在 Java 6 中对 synchronized 进行了非常多的改进。

  • 相同点:两者都是可重入锁
    “可重入锁”概念是:自己可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁,此时这个对象锁还没有释放,当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的,如果不可锁重入的话,就会造成死锁。同一个线程每次获取锁,锁的计数器都自增1,所以要等到锁的计数器下降为0时才能释放锁。
  • 主要区别如下:
    • ReentrantLock 使用起来比较灵活,但是必须有释放锁的配合动作;
    • ReentrantLock 必须手动获取与释放锁,而 synchronized 不需要手动释放和开启锁;
    • ReentrantLock 只适用于代码块锁,而 synchronized 可以修饰类、方法、变量等。
    • 二者的锁机制其实也是不一样的。ReentrantLock 底层调用的是 Unsafe 的park 方法加锁,synchronized 操作的应该是对象头中 mark word

Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础:

  • 普通同步方法,锁是当前实例对象
  • 静态同步方法,锁是当前类的class对象
  • 同步方法块,锁是括号里面的对象

7.6 当一个线程进入一个对象的一个 synchronized 方法后,其它线程是否可进入此对象的其它方法?

  • 其他方法前是否加了 synchronized 关键字,如果没加,则能。
  • 如果这个方法内部调用了 wait,则可以进入其他 synchronized 方法。
  • 如果其他个方法都加了 synchronized 关键字,并且内部没有调用 wait,则不能。
  • 如果其他方法是 static,它用的同步锁是当前类的字节码,与非静态的方法不能同步,因为非静态的方法用的是 this。

7.7 同步方法和同步块,哪个是更好的选择?

同步块是更好的选择,因为它不会锁住整个对象(当然你也可以让它锁住整个对象)。同步方法会锁住整个对象,哪怕这个类中有多个不相关联的同步块,这通常会导致他们停止执行并需要等待获得这个对象上的锁。

同步块更要符合开放调用的原则,只在需要锁住的代码块锁住相应的对象,这样从侧面来说也可以避免死锁。

请知道一条原则:同步的范围越小越好。

7.8 什么是线程同步和线程互斥,有哪几种实现方式?

当一个线程对共享的数据进行操作时,应使之成为一个"原子操作",即在没有完成相关操作之前,不允许其他线程打断它,否则,就会破坏数据的完整性,必然会得到错误的处理结果,这就是线程的同步。

在多线程应用中,考虑不同线程之间的数据同步和防止死锁。当两个或多个线程之间同时等待对方释放资源的时候就会形成线程之间的死锁。为了防止死锁的发生,需要通过同步来实现线程安全。

线程互斥是指对于共享的进程系统资源,在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时,任何时刻最多只允许一个线程去使用,其它要使用该资源的线程必须等待,直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。

线程间的同步方法大体可分为两类:用户模式和内核模式。顾名思义,内核模式就是指利用系统内核对象的单一性来进行同步,使用时需要切换内核态与用户态,而用户模式就是不需要切换到内核态,只在用户态完成操作。

  • 用户模式下的方法有:

    • 原子操作(例如一个单一的全局变量);
    • 临界区。
  • 内核模式下的方法有:

    • 事件;
    • 信号量;
    • 互斥量。

实现线程同步的方法

  • 同步代码方法:sychronized 关键字修饰的方法
  • 同步代码块:sychronized 关键字修饰的代码块
  • 使用特殊变量域volatile实现线程同步:volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制
  • 使用重入锁实现线程同步:reentrantlock类是可冲入、互斥、实现了lock接口的锁他与sychronized方法具有相同的基本行为和语义

7.9 synchronized 的作用?

在 Java 中,synchronized 关键字是用来控制线程同步的,就是在多线程的环境下,控制 synchronized 代码段不被多个线程同时执行。synchronized 可以修饰类、方法、变量。

另外,在 Java 早期版本中,synchronized属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的,Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程,都需要操作系统帮忙完成,而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对synchronized 较大优化,所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化,如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

7.10 synchronized如何使用?

主要的三种使用方式:

  • 修饰实例方法: 作用于当前对象实例加锁,进入同步代码前要获得当前对象实例的锁
  • 修饰静态方法: 也就是给当前类加锁,会作用于类的所有对象实例,因为静态成员不属于任何一个实例对象,是类成员( static 表明这是该类的一个静态资源,不管new了多少个对象,只有一份)。所以如果一个线程A调用一个实例对象的非静态 synchronized 方法,而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法,是允许的,不会发生互斥现象,因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁,而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁
  • 修饰代码块: 指定加锁对象,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

总结: synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class)代码块上都是是给 Class 类上锁。synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁。尽量不要使用 synchronized(String a) 因为JVM中,字符串常量池具有缓存功能!

7.11 如何使用synchronized实现单例?有那些注意点?

可以通过双重校验锁实现对象单例,代码如下:

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过,没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                // 再次判断对象是否已经实例化
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

需要注意 uniqueInstance 必须采用 volatile进行修饰,否则极小概率可能出现对象未初始化完成的情况;具体过程如下:

uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行:

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1 执行了 1 和 3,此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空,因此返回 uniqueInstance,但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

7.12 什么是自旋?

很多 synchronized 里面的代码只是一些很简单的代码,执行时间非常快,此时等待的线程都加锁可能是一种不太值得的操作,因为线程阻塞涉及到用户态和内核态切换的问题。既然 synchronized 里面的代码执行得非常快,不妨让等待锁的线程不要被阻塞,而是在 synchronized 的边界做忙循环,这就是自旋。如果做了多次循环发现还没有获得锁,再阻塞,这样可能是一种更好的策略。

7.13 线程 B 怎么知道线程 A 修改了变量

  1. volatile 修饰变量
  2. synchronized 修饰修改变量的方法
  3. wait/notify
  4. while 轮询

7.14 synchronized、volatile、CAS 比较

  1. synchronized 是悲观锁,属于抢占式,会引起其他线程阻塞。
  2. volatile 提供多线程共享变量可见性和禁止指令重排序优化。
  3. CAS 是基于冲突检测的乐观锁(非阻塞)

8. volatile

8.1 volatile 变量是什么?volatile 变量和 atomic 变量有什么不同?

volatile 则是保证了所修饰的变量的可见。因为 volatile 只是在保证了同一个变量在多线程中的可见性,所以它更多是用于修饰作为开关状态的变量,即 Boolean 类型的变量。

volatile 多用于修饰类似开关类型的变量、Atomic 多用于类似计数器相关的变量、其它多线程并发操作用 synchronized 关键字修饰。

volatile 有两个功用

  • 这个变量不会在多个线程中存在复本,直接从内存读取。
  • 这个关键字会禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。

8.2 volatile 类型变量提供什么保证?能使得一个非原子操作变成原子操作吗?

volatile 提供 happens-before 的保证,确保一个线程的修改能对其他线程是可见的。但无法保证原子性,对于多个线程访问同一个实例变量需要加锁进行同步。

在 Java 中除了 long 和 double 之外的所有基本类型的读和赋值,都是原子性操作。而 64 位的 long 和 double 变量由于会被 JVM 当作两个分离的 32 位来进行操作,所以不具有原子性,会产生字撕裂问题。但是当你定义 long 或 double 变量时,如果使用 volatile 关键字,就会获到(简单的赋值与返回操作的)原子性。

8.3 volatile 关键字的作用是什么?

对于可见性,Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性和禁止指令重排。 volatile 提供 happens-before 的保证,确保一个线程的修改能对其他线程是可见的。当一个共享变量被 volatile 修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

从实践角度而言,volatile 的一个重要作用就是和 CAS 结合,保证了原子性,详细的可以参见 java.util.concurrent.atomic 包下的类,比如 AtomicInteger。

volatile 常用于多线程环境下的单次操作(单次读或者单次写)。

8.4 Java 中能创建 volatile 数组吗?

,Java 中可以创建 volatile 类型数组,不过只是一个指向数组的引用,而不是整个数组。意思是,如果改变引用指向的数组,将会受到 volatile 的保护,但是如果多个线程同时改变数组的元素,volatile 标示符就不能起到之前的保护作用了。

8.5 双重检查单例为什么要使用volatile修饰?

代码如下:

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过,没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                // 再次判断对象是否已经实例化
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

需要注意 uniqueInstance 必须采用 volatile进行修饰,否则极小概率可能出现对象未初始化完成的情况;具体过程如下:

uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行:

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1 执行了 1 和 3,此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空,因此返回 uniqueInstance,但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

9. 并发锁

9.1 什么是死锁?

死锁是指两个或两个以上的进程(线程)在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程(线程)称为死锁进程(线程)。

多个线程同时被阻塞,它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞,因此程序不可能正常终止。

如下图所示,线程 A 持有资源 2,线程 B 持有资源 1,他们同时都想申请对方的资源,所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。
image.png

下面通过一个例子来说明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的情况 (代码来源于《并发编程之美》):

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

输出结果

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁,然后通过 Thread.sleep(1000);让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到CPU执行权,然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源,然后这两个线程就会陷入互相等待的状态,这也就产生了死锁。上面的例子符合产生死锁的四个必要条件。

9.2 怎么防止死锁?

我们只要破坏产生死锁的四个条件中的其中一个就可以了。

  • 尽量使用 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)的方法(ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock),设置超时时间,超时可以退出防止死锁。
  • 尽量使用 Java.util.concurrent 并发类代替自己手写锁。
  • 尽量降低锁的使用粒度,尽量不要几个功能用同一把锁。
  • 尽量减少同步的代码块。

9.3 什么是线程饿死,什么是活锁?

当所有线程阻塞,或者由于需要的资源无效而不能处理,不存在非阻塞线程使资源可用。

JavaAPI 中线程活锁可能发生在以下情形:

  • 当所有线程在序中执行 Object.wait(0),参数为 0 的 wait 方法。程序将发生活锁直到在相应的对象上有线程调用 Object.notify() 或者 Object.notifyAll()。
  • 当所有线程卡在无限循环中。

9.4 多线程中的忙循环是什么?

忙循环就是程序员用循环让一个线程等待,不像传统方法 wait(), sleep() 或 yield() 它们都放弃了 CPU 控制,而忙循环不会放弃 CPU,它就是在运行一个空循环。这么做的目的是为了保留 CPU 缓存。

在多核系统中,一个等待线程醒来的时候可能会在另一个内核运行,这样会重建缓存。

为了避免重建缓存和减少等待重建的时间就可以使用它了。

9.5 什么是不可变对象,它对写并发应用有什么帮助?

final修饰的为不可变对象

不可变对象(Immutable Objects)即对象一旦被创建它的状态(对象的数据,也即对象属性值)就不能改变,反之即为可变对象(Mutable Objects)。

不可变对象的类即为不可变类(Immutable Class)。Java 平台类库中包含许多不可变类,如 String、基本类型的包装类、BigInteger 和 BigDecimal 等。

只有满足如下状态,一个对象才是不可变的;

  • 它的状态不能在创建后再被修改;
  • 所有域都是 final 类型;并且,它被正确创建(创建期间没有发生 this 引用的逸出)。

不可变对象保证了对象的内存可见性,对不可变对象的读取不需要进行额外的同步手段,提升了代码执行效率。

9.6 形成死锁的四个必要条件是什么?

  1. 互斥条件
    线程(进程)对于所分配到的资源具有排它性,即一个资源只能被一个线程(进程)占用,直到被该线程(进程)释放
  2. 请求与保持条件
    一个线程(进程)因请求被占用资源而发生阻塞时,对已获得的资源保持不放。
  3. 不剥夺条件
    线程(进程)已获得的资源在末使用完之前不能被其他线程强行剥夺,只有自己使用完毕后才释放资源。
  4. 循环等待条件
    当发生死锁时,所等待的线程(进程)必定会形成一个环路(类似于死循环),造成永久阻塞

9.7 Java Concurrency API 中的 Lock 接口(Lock interface)是什么?对比同步它有什么优势?

Lock 接口比同步方法和同步块提供了更具扩展性的锁操作。他们允许更灵活的结构,可以具有完全不同的性质,并且可以支持多个相关类的条件对象。

它的优势有:

  • 可以使锁更公平
  • 可以使线程在等待锁的时候响应中断
  • 可以让线程尝试获取锁,并在无法获取锁的时候立即返回或者等待一段时间
  • 可以在不同的范围,以不同的顺序获取和释放锁

整体上来说 Lock 是 synchronized 的扩展版,Lock 提供了无条件的、可轮询的(tryLock 方法)、定时的(tryLock 带参方法)、可中断的(lockInterruptibly)、可多条件队列的(newCondition 方法)锁操作。另外 Lock 的实现类基本都支持非公平锁(默认)和公平锁,synchronized 只支持非公平锁,当然,在大部分情况下,非公平锁是高效的选择。

9.8 乐观锁和悲观锁的理解及如何实现,有哪些实现方式?

  • 悲观锁
    总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁。再比如 Java 里面的同步原语 synchronized 关键字的实现也是悲观锁。
  • 乐观锁
    顾名思义,就是很乐观,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型,这样可以提高吞吐量,像数据库提供的类似于 write_condition 机制,其实都是提供的乐观锁。在 Java中 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。
  • 乐观锁的实现方式:
    1. 使用版本标识来确定读到的数据与提交时的数据是否一致。提交后修改版本标识,不一致时可以采取丢弃和再次尝试的策略。
    2. java 中的 Compare and Swap 即 CAS ,当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。 CAS 操作中包含三个操作数 —— 需要读写的内存位置(V)、进行比较的预期原值(A)和拟写入的新值(B)。如果内存位置 V 的值与预期原值 A 相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 B。否则处理器不做任何操作。

9.9 什么是 CAS?

CAS 是 compare and swap 的缩写,即我们所说的比较交换。

cas 是一种基于锁的操作,而且是乐观锁。在 java 中锁分为乐观锁和悲观锁。悲观锁是将资源锁住,等一个之前获得锁的线程释放锁之后,下一个线程才可以访问。而乐观锁采取了一种宽泛的态度,通过某种方式不加锁来处理资源,比如通过给记录加 version 来获取数据,性能较悲观锁有很大的提高。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。如果内存地址里面的值和 A 的值是一样的,那么就将内存里面的值更新成 B。CAS是通过无限循环来获取数据的,若果在第一轮循环中,a 线程获取地址里面的值被b 线程修改了,那么 a 线程需要自旋,到下次循环才有可能机会执行。

java.util.concurrent.atomic 包下的类大多是使用 CAS 操作来实现的(AtomicInteger,AtomicBoolean,AtomicLong)。

9.10 CAS 的会产生什么问题?

  1. ABA 问题:
    比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A,这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A,并且 two 进行了一些操作变成了 B,然后 two 又将 V 位置的数据变成 A,这时候线程 one 进行 CAS 操作发现内存中仍然是 A,然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功,但可能存在潜藏的问题。从 Java1.5 开始 JDK 的 atomic包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。
  2. 循环时间长开销大:
    对于资源竞争严重(线程冲突严重)的情况,CAS 自旋的概率会比较大,从而浪费更多的 CPU 资源,效率低于 synchronized。
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作:
    当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环 CAS 就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁。

9.11 死锁、活锁、饥饿的区别?

  • 死锁
    是指两个或两个以上的进程(或线程)在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。
  • 活锁
    任务或者执行者没有被阻塞,由于某些条件没有满足,导致一直重复尝试,失败,尝试,失败。
  • 死锁与活锁区别
    活锁和死锁的区别在于,处于活锁的实体是在不断的改变状态,这就是所谓的“活”, 而处于死锁的实体表现为等待;活锁有可能自行解开,死锁则不能。
  • 饥饿
    一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源,导致一直无法执行的状态。

Java 中导致饥饿的原因

  1. 高优先级线程吞噬所有的低优先级线程的 CPU 时间。
  2. 线程被永久堵塞在一个等待进入同步块的状态,因为其他线程总是能在它之前持续地对该同步块进行访问。
  3. 线程在等待一个本身也处于永久等待完成的对象(比如调用这个对象的 wait 方法),因为其他线程总是被持续地获得唤醒。

10. AQS

10.1 什么是AQS?

AQS的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类在java.util.concurrent.locks包下面。

AQS是一个用来构建锁和同步器的框架,使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器,比如我们提到的ReentrantLock,Semaphore,其他的诸如ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask等等皆是基于AQS的。当然,我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

10.2 AQS的原理是什么?

AQS 原理概览

AQS核心思想是,如果被请求的共享资源空闲,则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用,那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制,这个机制AQS是用CLH队列锁实现的,即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例,仅存在结点之间的关联关系)。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。

看个AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图:
image.png
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state;//共享变量,使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过protected类型的getState,setState,compareAndSetState进行操作

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {  
        return state;
}
 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState;
}
//原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

AQS 对资源的共享方式

AQS定义两种资源共享方式

  • Exclusive(独占):只有一个线程能执行,如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁:
    • 公平锁:按照线程在队列中的排队顺序,先到者先拿到锁
    • 非公平锁:当线程要获取锁时,无视队列顺序直接去抢锁,谁抢到就是谁的
  • Share(共享):多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式,因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。

AQS底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的,如果需要自定义同步器一般的方式是这样(模板方法模式很经典的一个应用):

  1. 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单,无非是对于共享资源state的获取和释放)
  2. 将AQS组合在自定义同步组件的实现中,并调用其模板方法,而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别,这是模板方法模式很经典的一个运用。

AQS使用了模板方法模式,自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法:

isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

默认情况下,每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的,并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ,所以无法被其他类使用,只有这几个方法可以被其他类使用。

以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS(Compare and Swap)减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现 tryAcquire-tryReleasetryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如 ReentrantReadWriteLock

10.3 什么是可重入锁(ReentrantLock)?

ReentrantLock重入锁,是实现Lock接口的一个类,也是在实际编程中使用频率很高的一个锁,支持重入性,表示能够对共享资源能够重复加锁,即当前线程获取该锁再次获取不会被阻塞。

在java关键字synchronized隐式支持重入性,synchronized通过获取自增,释放自减的方式实现重入。与此同时,ReentrantLock还支持公平锁和非公平锁两种方式。那么,要想完完全全的弄懂ReentrantLock的话,主要也就是ReentrantLock同步语义的学习:

  1. 重入性的实现原理;
  2. 公平锁和非公平锁。
  • 重入性的实现原理
    要想支持重入性,就要解决两个问题:

    1. 在线程获取锁的时候,如果已经获取锁的线程是当前线程的话则直接再次获取成功;
    2. 由于锁会被获取n次,那么只有锁在被释放同样的n次之后,该锁才算是完全释放成功。
  • ReentrantLock支持两种锁:

    • 公平锁
      何谓公平性,是针对获取锁而言的,如果一个锁是公平的,那么锁的获取顺序就应该符合请求上的绝对时间顺序,满足FIFO。
    • 非公平锁

10.4 ReadWriteLock 是什么?

ReadWriteLock 是一个读写锁接口,读写锁是用来提升并发程序性能的锁分离技术,ReentrantReadWriteLock 是 ReadWriteLock 接口的一个具体实现,实现了读写的分离,读锁是共享的,写锁是独占的,读和读之间不会互斥,读和写、写和读、写和写之间才会互斥,提升了读写的性能。

而读写锁有以下三个重要的特性:

  1. 公平选择性:
    支持非公平(默认)和公平的锁获取方式,吞吐量还是非公平优于公平。
  2. 重进入:
    读锁和写锁都支持线程重进入。
  3. 锁降级:
    遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁。

11. 并发容器

11.1 什么是ConcurrentHashMap?

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全且高效的HashMap实现。平时涉及高并发如果要用map结构,那第一时间想到的就是它。相对于hashmap来说,ConcurrentHashMap就是线程安全的map,其中利用了锁分段的思想提高了并发度。

那么它到底是如何实现线程安全的?

JDK 1.6版本关键要素:

  • segment继承了ReentrantLock充当锁的角色,为每一个segment提供了线程安全的保障;
  • segment维护了哈希散列表的若干个桶,每个桶由HashEntry构成的链表。

JDK1.8后,ConcurrentHashMap抛弃了原有的Segment 分段锁,而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性

11.2 Java 中 ConcurrentHashMap 的并发度是什么?

ConcurrentHashMap 把实际 map 划分成若干部分来实现它的可扩展性和线程安全。这种划分是使用并发度获得的,它是 ConcurrentHashMap 类构造函数的一个可选参数,默认值为 16,这样在多线程情况下就能避免争用。

在 JDK8 后,它摒弃了 Segment(锁段)的概念,而是启用了一种全新的方式实现,利用 CAS 算法。同时加入了更多的辅助变量来提高并发度,具体内容还是查看源码吧。

11.3 什么是并发容器的实现?

何为同步容器
可以简单地理解为通过 synchronized 来实现同步的容器,如果有多个线程调用同步容器的方法,它们将会串行执行。比如 Vector,Hashtable,以及 Collections.synchronizedSet,synchronizedList 等方法返回的容器。可以通过查看 Vector,Hashtable 等这些同步容器的实现代码,可以看到这些容器实现线程安全的方式就是将它们的状态封装起来,并在需要同步的方法上加上关键字 synchronized。

并发容器使用了与同步容器完全不同的加锁策略来提供更高的并发性和伸缩性,例如在 ConcurrentHashMap 中采用了一种粒度更细的加锁机制,可以称为分段锁,在这种锁机制下,允许任意数量的读线程并发地访问 map,并且执行读操作的线程和写操作的线程也可以并发的访问 map,同时允许一定数量的写操作线程并发地修改 map,所以它可以在并发环境下实现更高的吞吐量。

11.4 Java 中的同步集合与并发集合有什么区别?

同步集合与并发集合都为多线程和并发提供了合适的线程安全的集合,不过并发集合的可扩展性更高。在 Java1.5 之前程序员们只有同步集合来用且在多线程并发的时候会导致争用,阻碍了系统的扩展性。Java5 介绍了并发集合像ConcurrentHashMap,不仅提供线程安全还用锁分离和内部分区等现代技术提高了可扩展性。

11.5 SynchronizedMap 和 ConcurrentHashMap 有什么区别?

SynchronizedMap 一次锁住整张表来保证线程安全,所以每次只能有一个线程来访为 map。

ConcurrentHashMap 使用分段锁来保证在多线程下的性能。

ConcurrentHashMap 中则是一次锁住一个桶。ConcurrentHashMap 默认将hash 表分为 16 个桶,诸如 get,put,remove 等常用操作只锁当前需要用到的桶。

这样,原来只能一个线程进入,现在却能同时有 16 个写线程执行,并发性能的提升是显而易见的。

另外 ConcurrentHashMap 使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中,当iterator 被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException,取而代之的是在改变时 new 新的数据从而不影响原有的数据,iterator 完成后再将头指针替换为新的数据 ,这样 iterator线程可以使用原来老的数据,而写线程也可以并发的完成改变。

11.6 CopyOnWriteArrayList 是什么,可以用于什么应用场景?有哪些优缺点?

CopyOnWriteArrayList 是一个并发容器。有很多人称它是线程安全的,我认为这句话不严谨,缺少一个前提条件,那就是非复合场景下操作它是线程安全的。

CopyOnWriteArrayList(免锁容器)的好处之一是当多个迭代器同时遍历和修改这个列表时,不会抛出 ConcurrentModificationException。在CopyOnWriteArrayList 中,写入将导致创建整个底层数组的副本,而源数组将保留在原地,使得复制的数组在被修改时,读取操作可以安全地执行。

CopyOnWriteArrayList 的使用场景

通过源码分析,我们看出它的优缺点比较明显,所以使用场景也就比较明显。就是合适读多写少的场景。

CopyOnWriteArrayList 的缺点

  1. 由于写操作的时候,需要拷贝数组,会消耗内存,如果原数组的内容比较多的情况下,可能导致 young gc 或者 full gc。
  2. 不能用于实时读的场景,像拷贝数组、新增元素都需要时间,所以调用一个 set 操作后,读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求。
  3. 由于实际使用中可能没法保证 CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据,万一数据稍微有点多,每次 add/set 都要重新复制数组,这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中,这种操作分分钟引起故障。

CopyOnWriteArrayList 的设计思想

  1. 读写分离,读和写分开
  2. 最终一致性
  3. 使用另外开辟空间的思路,来解决并发冲突

12. 工具、其他

12.1 说一下atomic 的原理?

Atomic包中的类基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时对单个(包括基本类型及引用类型)变量进行操作时,具有排他性,即当多个线程同时对该变量的值进行更新时,仅有一个线程能成功,而未成功的线程可以向自旋锁一样,继续尝试,一直等到执行成功。

AtomicInteger 类的部分源码:

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates(更新操作时提供“比较并替换”的作用)
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
	try {
		valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
		(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
	} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;

AtomicInteger 类主要利用 CAS (compare and swap) + volatile 和 native 方法来保证原子操作,从而避免 synchronized 的高开销,执行效率大为提升。

CAS的原理是拿期望的值和原本的一个值作比较,如果相同则更新成新的值。UnSafe 类的 objectFieldOffset() 方法是一个本地方法,这个方法是用来拿到“原来的值”的内存地址,返回值是 valueOffset。另外 value 是一个volatile变量,在内存中可见,因此 JVM 可以保证任何时刻任何线程总能拿到该变量的最新值。

12.2 什么是阻塞队列?阻塞队列的实现原理是什么?如何使用阻塞队列来实现生产者-消费者模型?

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。

这两个附加的操作是:在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。

JDK7 提供了 7 个阻塞队列。分别是:

  • ArrayBlockingQueue :
    一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
  • LinkedBlockingQueue :
    一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
  • PriorityBlockingQueue :
    一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
  • DelayQueue:
    一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
  • SynchronousQueue:
    一个不存储元素的阻塞队列。
  • LinkedTransferQueue:
    一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
  • LinkedBlockingDeque:
    一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

Java 5 之前实现同步存取时,可以使用普通的一个集合,然后在使用线程的协作和线程同步可以实现生产者,消费者模式,主要的技术就是用好,wait,notify,notifyAll,sychronized 这些关键字。而在 java 5 之后,可以使用阻塞队列来实现,此方式大大简少了代码量,使得多线程编程更加容易,安全方面也有保障。

BlockingQueue 接口是 Queue 的子接口,它的主要用途并不是作为容器,而是作为线程同步的的工具,因此他具有一个很明显的特性,当生产者线程试图向 BlockingQueue 放入元素时,如果队列已满,则线程被阻塞,当消费者线程试图从中取出一个元素时,如果队列为空,则该线程会被阻塞,正是因为它所具有这个特性,所以在程序中多个线程交替向 BlockingQueue 中放入元素,取出元素,它可以很好的控制线程之间的通信。

阻塞队列使用最经典的场景就是 socket 客户端数据的读取和解析,读取数据的线程不断将数据放入队列,然后解析线程不断从队列取数据解析。

12.3 什么是原子操作?在 Java Concurrency API 中有哪些原子类(atomic classes)?

原子操作(atomic operation)意为”不可被中断的一个或一系列操作” 。

处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。在 Java 中可以通过锁和循环 CAS 的方式来实现原子操作。 CAS 操作——Compare & Set,是 Compare & Swap,现在几乎所有的 CPU 指令都支持 CAS 的原子操作。

原子操作是指一个不受其他操作影响的操作任务单元。原子操作是在多线程环境下避免数据不一致必须的手段。

int++并不是一个原子操作,所以当一个线程读取它的值并加 1 时,另外一个线程有可能会读到之前的值,这就会引发错误。

为了解决这个问题,必须保证增加操作是原子的,在 JDK1.5 之前我们可以使用同步技术来做到这一点。到 JDK1.5,java.util.concurrent.atomic 包提供了 int 和long 类型的原子包装类,它们可以自动的保证对于他们的操作是原子的并且不需要使用同步。

java.util.concurrent 这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时,具有排他性,即当某个线程进入方法,执行其中的指令时,不会被其他线程打断,而别的线程就像自旋锁一样,一直等到该方法执行完成,才由 JVM 从等待队列中选择另一个线程进入,这只是一种逻辑上的理解。

  • 原子类:

    • AtomicBoolean
    • AtomicInteger
    • AtomicLong
    • AtomicReference
  • 原子数组:

    • AtomicIntegerArray
    • AtomicLongArray
    • AtomicReferenceArray
  • 原子属性更新器:

    • AtomicLongFieldUpdater
    • AtomicIntegerFieldUpdater
    • AtomicReferenceFieldUpdater
  • 解决 ABA 问题的原子类:

    • AtomicMarkableReference
      通过引入一个 boolean来反映中间有没有变过
    • AtomicStampedReference
      通过引入一个 int 来累加来反映中间有没有变过

12.4 常用的并发工具类有哪些?

  • Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问:
    synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源,Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。
  • CountDownLatch(倒计时器):
    CountDownLatch是一个同步工具类,用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待,它可以让某一个线程等待直到倒计时结束,再开始执行。
  • CyclicBarrier(循环栅栏):
    CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似,它也可以实现线程间的技术等待,但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用(Cyclic)的屏障(Barrier)。它要做的事情是,让一组线程到达一个屏障(也可以叫同步点)时被阻塞,直到最后一个线程到达屏障时,屏障才会开门,所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties),其参数表示屏障拦截的线程数量,每个线程调用await()方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障,然后当前线程被阻塞。

12.5 在 Java 中 CycliBarriar 和 CountdownLatch 有什么区别?

CountDownLatch与CyclicBarrier都是用于控制并发的工具类,都可以理解成维护的就是一个计数器,但是这两者还是各有不同侧重点的:

  • CountDownLatch一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后,它才执行;而CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态,然后这一组线程再同时执行;CountDownLatch强调一个线程等多个线程完成某件事情。CyclicBarrier是多个线程互等,等大家都完成,再携手共进。
  • 调用CountDownLatch的countDown方法后,当前线程并不会阻塞,会继续往下执行;而调用CyclicBarrier的await方法,会阻塞当前线程,直到CyclicBarrier指定的线程全部都到达了指定点的时候,才能继续往下执行;
  • CountDownLatch方法比较少,操作比较简单,而CyclicBarrier提供的方法更多,比如能够通过getNumberWaiting(),isBroken()这些方法获取当前多个线程的状态,并且CyclicBarrier的构造方法可以传入barrierAction,指定当所有线程都到达时执行的业务功能;
  • CountDownLatch是不能复用的,而CyclicLatch是可以复用的。

12.6 Semaphore 有什么作用?

Semaphore 就是一个信号量,它的作用是限制某段代码块的并发数。Semaphore有一个构造函数,可以传入一个 int 型整数 n,表示某段代码最多只有 n 个线程可以访问,如果超出了 n,那么请等待,等到某个线程执行完毕这段代码块,下一个线程再进入。由此可以看出如果 Semaphore 构造函数中传入的 int 型整数 n=1,相当于变成了一个 synchronized 了。

Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问: synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源,Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。

12.7 Exchanger的作用什么?

Exchanger是一个用于线程间协作的工具类,用于两个线程间交换数据。它提供了一个交换的同步点,在这个同步点两个线程能够交换数据。交换数据是通过exchange方法来实现的,如果一个线程先执行exchange方法,那么它会同步等待另一个线程也执行exchange方法,这个时候两个线程就都达到了同步点,两个线程就可以交换数据。



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作者:码霸霸
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