Java并发编程（总结最全面的面试题！！！）

ゞ浴缸里的玫瑰 2023-09-28 11:54 127阅读 0赞

### 基础知识 ###

为什么要使用并发编程

*  提升多核CPU的利用率：一般来说一台主机上的会有多个CPU核心，我们可以创建多个线程，理论上讲操作系统可以将多个线程分配给不同的CPU去执行，每个CPU执行一个线程，这样就提高了CPU的使用效率，如果使用单线程就只能有一个CPU核心被使用。
 *  比如当我们在网上购物时，为了提升响应速度，需要拆分，减库存，生成订单等等这些操作，就可以进行拆分利用多线程的技术完成。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 。
 *  简单来说就是：
    
     *  充分利用多核CPU的计算能力；
     *  方便进行业务拆分，提升应用性能

多线程应用场景

*  例如: 迅雷多线程下载、数据库连接池、分批发送短信等。

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。

并发编程三个必要因素是什么？

*  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）

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一般都是三个原因：
    
     *  线程切换带来的原子性问题 解决办法：使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。
     *  缓存导致的可见性问题 解决办法：synchronized、volatile、LOCK，可以解决可见性问题
     *  编译优化带来的有序性问题 解决办法：Happens-Before 规则可以解决有序性问题

并行和并发有什么区别？

*  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。
 *  并行：单位时间内，多个处理器或多核处理器同时处理多个任务，是真正意义上的“同时进行”。
 *  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。

**做一个形象的比喻：**

*  并发 = 俩个人用一台电脑。
 *  并行 = 俩个人分配了俩台电脑。
 *  串行 = 俩个人排队使用一台电脑。

什么是多线程

*  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。

线程和进程区别

*  什么是线程和进程?
    
     *  进程
        
        一个在内存中运行的应用程序。 每个正在系统上运行的程序都是一个进程
     *  线程
        
        进程中的一个执行任务（控制单元）， 它负责在程序里独立执行。

`一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。`

*  进程与线程的区别
    
     *  根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而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，而进程与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，但是一个线程崩溃有可能导致整个进程都死掉。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。但是线程不能独立执行，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

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。

守护线程和用户线程有什么区别呢？

*  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

如何在 Windows 和 Linux 上查找哪个线程cpu利用率最高？

*  windows上面用任务管理器看，linux下可以用 top 这个工具看。
    
     *  找出cpu耗用厉害的进程pid， 终端执行top命令，然后按下shift+p (shift+m是找出消耗内存最高)查找出cpu利用最厉害的pid号
     *  根据上面第一步拿到的pid号，top -H -p pid 。然后按下shift+p，查找出cpu利用率最厉害的线程号，比如top -H -p 1328
     *  将获取到的线程号转换成16进制，去百度转换一下就行
     *  使用jstack工具将进程信息打印输出，jstack pid号 > /tmp/t.dat，比如jstack 31365 > /tmp/t.dat
     *  编辑/tmp/t.dat文件，查找线程号对应的信息

`或者直接使用JDK自带的工具查看“jconsole” 、“visualVm”，这都是JDK自带的，可以直接在JDK的bin目录下找到直接使用`

什么是线程死锁

*  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。

![format_png][]

形成死锁的四个必要条件是什么

*  互斥条件：在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，就只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
 *  占有且等待条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
 *  不可抢占条件：别人已经占有了某项资源，你不能因为自己也需要该资源，就去把别人的资源抢过来。
 *  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。（比如一个进程集合，A在等B，B在等C，C在等A）

如何避免线程死锁

1.  避免一个线程同时获得多个锁
2.  避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源
3.  尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制

创建线程的四种方式

*  继承 Thread 类；
    
        public class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run()方法正在执行...");
        }
 *  实现 Runnable 接口；
    
        public class MyRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run()方法执行中...");
        }
 *  实现 Callable 接口；
    
        public class MyCallable implements Callable<Integer> {
        @Override
        public Integer call() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " call()方法执行中...");
            return 1;
        }
 *  使用匿名内部类方式
    
        public class CreateRunnable {
            public static void main(String[] args) {
                //创建多线程创建开始
                Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                    public void run() {
                        for (int i = 0; i < 10; i++) {
                            System.out.println("i:" + i);
                        }
                    }
                });
                thread.start();
            }
        }

说一下 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

**主要区别：**

*  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
 *  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 注：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。

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。

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？

这是另一个非常经典的 java 多线程面试问题，而且在面试中会经常被问到。很简单，但是很多人都会答不上来！

*  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。
 *  而直接执行 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，而 run 方法只是 thread 的一个普通方法调用，还是在主线程里执行。

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。

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。

线程的状态

![format_png 1][]

*  新建(new)：新创建了一个线程对象。
 *  就绪（可运行状态）(runnable)：线程对象创建后，当调用线程对象的 start()方法，该线程处于就绪状态，等待被线程调度选中，获取cpu的使用权。
 *  运行(running)：可运行状态(runnable)的线程获得了cpu时间片（timeslice），执行程序代码。注：就绪状态是进入到运行状态的唯一入口，也就是说，线程要想进入运行状态执行，首先必须处于就绪状态中；
 *  阻塞(block)：处于运行状态中的线程由于某种原因，暂时放弃对 CPU的使用权，停止执行，此时进入阻塞状态，直到其进入到就绪状态，才 有机会再次被 CPU 调用以进入到运行状态。
    
     *  阻塞的情况分三种：
        
         *  (一). 等待阻塞：运行状态中的线程执行 wait()方法，JVM会把该线程放入等待队列(waitting queue)中，使本线程进入到等待阻塞状态；
         *  (二). 同步阻塞：线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，，则JVM会把该线程放入锁池(lock pool)中，线程会进入同步阻塞状态；
         *  (三). 其他阻塞: 通过调用线程的 sleep()或 join()或发出了 I/O 请求时，线程会进入到阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者 I/O 处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
 *  死亡(dead)(结束)：线程run()、main()方法执行结束，或者因异常退出了run()方法，则该线程结束生命周期。死亡的线程不可再次复生。

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。（Java是由JVM中的线程计数器来实现线程调度）
 *  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。

线程的调度策略

`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

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）。

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；

sleep() 和 wait() 有什么区别？

`两者都可以暂停线程的执行`

*  类的不同：sleep() 是 Thread线程类的静态方法，wait() 是 Object类的方法。
 *  是否释放锁：sleep() 不释放锁；wait() 释放锁。
 *  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。
 *  用法不同：wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify() 或者 notifyAll() 方法。sleep() 方法执行完成后，线程会自动苏醒。或者可以使用wait(long timeout)超时后线程会自动苏醒。

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

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