【多线程】面试复习

r囧r小猫 2022-10-09 12:26 160阅读 0赞

Java多线程面试高频

# 1. Java线程基本状态 #

Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态。

1.**NEW** 初始状态

2.**RUNNABLE** 运行状态

3.**BLOCKED** 阻塞状态

4.**WAITING** 等待状态

5.**TIME\_WAITING** 超时等待状态

6.**TERMINATED** 终止状态

# 1.1 线程和进程 #

进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，因此进程是动态的。系统运行一个程序既是一个进程从创建，运行到消亡的过程。

线程和进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因如此，线程也称为轻量级进程。

做个简单的比喻：进程=火车，线程=车厢

线程在进程下行进（单纯的车厢无法运行）

一个进程可以包含多个线程（一辆火车可以有多个车厢）

不同进程间数据很难共享（一辆火车上的乘客很难换到另外一辆火车，比如站点换乘）

同一进程下不同线程间数据很易共享（A车厢换到B车厢很容易）

进程要比线程消耗更多的计算机资源（采用多列火车相比多个车厢更耗资源）

进程间不会相互影响，一个线程挂掉将导致整个进程挂掉（一列火车不会影响到另外一列火车，但是如果一列火车上中间的一节车厢着火了，将影响到所有车厢）

进程可以拓展到多机，进程最多适合多核（不同火车可以开在多个轨道上，同一火车的车厢不能在行进的不同的轨道上）

进程使用的内存地址可以上锁，即一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。（比如火车上的洗手间）－“互斥锁”

进程使用的内存地址可以限定使用量（比如火车上的餐厅，最多只允许多少人进入，如果满了需要在门口等，等有人出来了才能进去）－“信号量”

总结： 线程 是 进程 划分成的更小的运行单位。线程和进程最大的不同在于**基本上各进程是独立的**，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。

# 1.2 并发与并行的区别 #

从时间点和时间段来看：

【时间点】并行就是多个线程同一时间都在执行，并发是多个线程同一时间只有一个在执行。

【时间段】并发是多个线程交替执行；并行是多个线程同时执行。

# 1.3 程序计数器 #

程序计数器主要有下面两个作用：

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。

在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

需要注意的是，如果执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。

所以，程序计数器私有主要是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。

# 1.4 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. 并发编程的三个重要特性 #

【原子性】 一个的操作或者多次操作，要么所有的操作全部都得到执行并且不会收到任何因素的干扰而中断，要么所有的操作都执行，要么都不执行。synchronized 可以保证代码片段的原子性。

【可见性】 ：当一个变量对共享变量进行了修改，那么另外的线程都是立即可以看到修改后的最新值。volatile 关键字可以保证共享变量的可见性。

【有序性】 ：代码在执行的过程中的先后顺序，Java 在编译器以及运行期间的优化，代码的执行顺序未必就是编写代码时候的顺序。volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。

# 3. 死锁 #

线程死锁描述的是这样一种情况：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。

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。

## 3.1 死锁的四个必要条件 ##

互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。

请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

不剥夺条件:线程已获得的资源在未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。

循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

## 3.2 如何避免线程死锁 ##

破坏产生死锁的四个条件中的其中一个就可以了

破坏互斥条件 ：这个条件我们没有办法破坏，因为我们用锁本来就是想让他们互斥的（临界资源需要互斥访问）。

破坏请求与保持条件 ：一次性申请所有的资源。

破坏不剥夺条件 ：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。

破坏循环等待条件 ：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

# 4. sleep() 方法和 wait() 方法区别和共同点 #

【类的不同】：sleep() 来⾃ Thread，wait() 来⾃ Object。  
【**释放锁**】：sleep() 不释放锁；wait() 释放锁。  
【⽤法不同】：两者**都可以暂停线程**的执行。① sleep() 时间到会⾃动恢复；wait() 可以使⽤ notify()/notifyAll()直接唤醒；② wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep() 通常被用于暂停执行。

**理解：**

【1】sleep是线程的睡眠方法，抱着锁睡觉，醒了自己恢复。还能自己定闹钟（wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。）  
【2】wait是object的方法，是把锁放回去，跑到一边去等待，只能等别人（别的线程）给他唤醒（notify）。

# 5. 为什么我们调用 start() 方法时会执行 run() 方法，为什么我们不能直接调用 run() 方法？ #

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。 但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

总结： 调用 start() 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。

# 6. synchronized 关键字 #

> synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized关键字可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。

## 6.1 synchronized 三种使用方式 ##

1.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
    synchronized void method() {
        
      //业务代码
    }
    
    2.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 ，进入同步代码前要获得 当前 class 的锁。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。
        
    synchronized static void method() {
        
    	//业务代码
    }
    
    3.修饰代码块 ：指定加锁对象，对给定对象/类加锁。synchronized(this|object) 表示进入同步代码库前要获得给定对象的锁。synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 当前 class 的锁
    
    synchronized(this) {
        
    	//业务代码
    }

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！

## 6.2 线程安全的单例 ##

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) {
        
                    if (uniqueInstance == null) {
        
                        uniqueInstance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

另外，需要注意 uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要。

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

为 uniqueInstance 分配内存空间

初始化 uniqueInstance

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。

## 6.3 synchronized 关键字的底层原理 ##

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

当执行 monitorenter 指令时，线程试图获取锁也就是获取 对象监视器 monitor 的持有权。

在 Java 虚拟机(HotSpot)中，Monitor 是基于 C++实现的，由ObjectMonitor实现的。每个对象中都内置了一个 ObjectMonitor对象。

另外，wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

在执行monitorenter时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取，获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。

在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为 0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是 ACC\_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。JVM 通过该 ACC\_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

总结

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是 ACC\_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。

不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

## 6.4 锁的优化 ##

锁主要存在四种状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁</th> 
   <th>优点</th> 
   <th>缺点</th> 
   <th>适用场景</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td>加锁和解锁不需要额外的消耗, 和执行非同步代码方法的性能相差无几.</td> 
   <td>如果线程间存在锁竞争, 会带来额外的锁撤销的消耗.</td> 
   <td>适用于只有一个线程访问的同步场景</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td>竞争的线程不会阻塞, 提高了程序的响应速度</td> 
   <td>如果始终得不到锁竞争的线程, 使用自旋会消耗CPU</td> 
   <td>追求响应时间, 同步快执行速度非常快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>线程竞争不适用自旋, 不会消耗CPU</td> 
   <td>线程堵塞, 响应时间缓慢</td> 
   <td>追求吞吐量, 同步快执行时间速度较长</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 7. synchronized和ReentrantLock 的区别 #

# 8. volatile 关键字 #

## java内存模型 ##

## synchronized 关键字和 volatile 关键字的区别 ##

# 9. ThreadLocal #

## ThreadLocal 内存泄露问题 ##

# 10. 线程池 #

## Runnable 接口和 Callable 接口的区别 ##

## execute()方法和 submit()方法的区别 ##

## 创建线程池的几个重要参数 ##

### ThreadPoolExecutor 饱和策略 ###

### 执行图 ###