Java并发编程面试题

朱雀 2024-03-17 15:45 55阅读 0赞

**目录**

一、线程、进程、程序

二、线程状态

三、线程的七大参数

四、线程有什么优缺点？

五、start 和 run 方法有什么区别？

六、wait 和 sleep的区别？

七、lock与synchronized的区别

八、Volatile关键字是线程安全的吗？底层原理是什么？

九、synchronized作用和底层原理?

十一、ThreadLocal是线程安全的吗？底层原理是什么？会存在内存泄露吗？

十二、HashMap和ConcurrentHashMap有什么区别？

十三、HashMap和HashTable有什么区别？

#### 一、线程、进程、程序 ####

进程： 我们把运行中的程序叫做进程,每个进程都会占用内存与CPU资源,进程与进程之间互相独立.

线程： 线程就是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行。一个进程可以包含多个线程。多线程可以提高程序的并行运行效率。

程序：是含有指令和数据的文件，被存储在磁盘或其他的数据存储设备中，也就是说程序是静态的代码。

#### 二、线程状态 ####

1.新建（New）：创建线程对象时

2.就绪（Runnable）：线程调用start方法，有执行资格没有执行权

3.运行：当就绪状态时抢到cpu的执行权之后，进入运行状态

4.阻塞（Blocked）：当获取锁失败后，进入阻塞状态

5.等待（Waiting）：等待被notify()方法唤醒

6.休眠（sleep）：休眠一段时间，时间到了之后，进入就绪状态。

7.终止（Terminated）：线程死亡

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#### 三、线程的七大参数 ####

1.核心线程数（corePoolSize）：表示保持活动状态的最小线程数。

2.最大线程数（maximumPoolSize）：表示允许创建的最大线程数。

3.空闲时间（keepAliveTime）：表示当线程数量超过核心线程数时，多余的空闲线程能够保持存活的时间。

4.阻塞队列（workQueue）：表示用于存储等待执行的任务的阻塞队列。

5.单位（unit）：表示空闲时间的单位，例如毫秒、秒等。

6.拒绝策略（rejectedExecutionHandler）：表示当任务无法提交给线程池执行时采取的策略。

当线程任务进来时，首先尝试创建核心线程进行执行。如果线程池中的线程数量已经达到了核心线程数，

并且阻塞队列也已经满了，那么就会尝试创建新的线程进行执行。

如果线程池中的线程数量已经达到了最大线程数，并且阻塞队列也已经满了，那么就会执行拒绝策略。

示例：假设线程池的核心线程数为 10，最大线程数为 20，阻塞队列容量为 50，

则当有 100 个任务进入线程池时，会有 10 个核心线程立刻执行任务，50 个任务进入阻塞队列，

再有 10 个线程被创建并立即执行剩余的任务。最后还剩下 30 个任务无法执行，就会被拒绝执行。

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#### 四、线程有什么优缺点？ ####

**优点：**

1. 在多核CPU中，通过并行计算**提高程序性能**. 比如一个方法的执行比较耗时，现在把这个方法逻辑拆分，分为若干个线程并发执行，提高程序效率。

2. 可以解决网络等待、io响应导致的**耗时问题**。

3. 提高CPU的**使用率**.提高网络资源的利用率

**缺点：**

1. 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；

2. 线程之间对共享资源的访问会造成资源安全问题；

3. 多线程存在**上下文切换问题**CPU 通过时间片分配算法来循环执行任务，所以本身就会占用cpu资源

#### 五、start 和 run 方法有什么区别？ ####

调用start方法方可启动线程，而run方法只是thread类中的一个普通方法调用，还是在主线程里执行。

#### 六、wait 和 sleep的区别？ ####

**相同点：**wait(long) 和 sleep(long) 的效果都是让当前线程暂时放弃 CPU 的使用权，进入**阻塞状态**。

**不同点：**

sleep是Thread的静态方法，而 wait()都是 Object 的成员方法，每个对象都有。

sleep方法是**暂停**当前线程，相当于休眠一段时间，之后会自动唤醒，而wait()必须被**notify 或者notifyall方法唤醒**，不然会一直阻塞。

wait方法的调用必须先获取wait对象的锁，而sleep则无此限制wait方法执行后会释放对象锁

允许其它线程获得该对象锁（**我放弃 cpu，但你们还可以用**);如果在 synchronized代码块中执行，并不会释放对象锁（**我放弃 cpu，你们也用不了**）。

#### 七、lock与synchronized的区别 ####

**语法层面：**

1.synchronized是**关键字**，源码在jvm中，用c++ 语言实现

2..Lock 是**接口**，源码由jdk 提供，用java语言实现

3.使用 synchronized 时，退出同步代码块锁会由**jvm**自动释放，而使用Lock时，需要手动调用unlock方法释放锁,否则可能会导致**死锁**等问题。

**功能层面**

1. Lock 提供了更多的**锁机制**选择，例如公平锁、非公平锁、可重入锁、读写锁等多种类型；而 synchronized 只有一种类型，即**独占锁**（排他锁）。

2. Lock 应该优先考虑在**高并发**场景下使用，可以获得更好的性能和灵活性；而 synchronized 关键字则更适合用于简单的线程同步场景，易于使用和维护。

#### 八、Volatile关键字是线程安全的吗？底层原理是什么？ ####

**什么是重排序？**

当一个变量被修改后，如果该变量的值没有被写入到**主内存**中，其他线程可能会读取到该变量的**旧值**，导致程序出错。

并发编程中有3大**重要特性：**

**原子性**：

一个操作或者多个操作，要么全部执行成功，要么全部执行失败。满足原子性的操作，中途不可被

中断。

**可见性**：

多个线程共同访问共享变量时，某个线程修改了此变量，其他线程能立即看到修改后的值。

**有序性****：**

程序执行的顺序按照代码的**先后顺序**执行。（由于JMM模型中允许编译器和处理器为了效率，进行指令重排序的优化。指令重排序在单线程内表现为串行语义，在多线程中会表现为无序。那么多线程并发编程中，就要考虑如何在多线程环境下可以允许部分指令重排，又要保证有序性）

那么volatile关键字是如何保证**可见性和有序性**呢？

**保证可见性：**当一个变量被volatile修饰后，JVM会把工作内存中的最新变量值强制**刷新到主内存**中，会导致其他线程中的**缓存失效**。这样，其他线程使用缓存时，发现本地工作内存中此变量失效，便会从主内存中获取，这样获取到的值就是最新的值，实现了**线程可见性**。

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**线程**：

线程是程序执行的最小单位，多个线程可以同时执行。在Java中，**每个线程都有自己的工作内存**

**工作内存**：

每个线程都有自己的工作内存，也称为线程的**本地内存**。工作内存是**线程私有**的，用于存储线程执行过程中的**栈帧、局部变量**等信息

**主内存**：

主内存是所有线程**共享的内存区域**。主内存中存储着**所有的变量**，包括静态变量、实例变量等。主内存是线程间进行**数据交互的存储区域。**

**保证有序性：**通过编译器在生成字节码时，在指令序列中添加“**内存屏障**”来**禁止指令重排序**的，从而保证了有序性。（屏蔽在多线程环境下CPU的指令重排）

**总之，Volatile关键字可以保证可见性和有序性，但不保证原子性，因此volatile不是线程安全的。**

#### 九、synchronized作用和底层原理? ####

1.Java关键字synchronized是用于实现多线程同步的机制，确保多个线程在访问共享资源时不会产生竞争和冲突，从而避免数据不一致的情况。其主要原理是基于Java对象的内部锁，即**监视器锁**（Monitor Lock），确保在**同一时刻只有一个线程可以访问被保护的代码块或方法**。

2.当一个线程尝试获取被synchronized关键字保护的资源时，如果该资源已被其他线程占用，该线程就会进入阻塞等待状态。当占用资源的线程释放该资源时，等待队列中的线程会竞争获取该资源，并且只有一个线程会成功获取到该资源，其他线程继续等待。

3.synchronized关键字保证了可见性和原子性，可见性是通过JVM底层的**内存屏障**来实现的，原子性则是通过**监视器锁的互斥性**来实现的。

在synchronized块内，线程获得了锁，它将会**清空工作内存**，从而使得该线程使用的变量能够从**主内存中重新读取**，同时也会把工作内存中的变量写回到主内存中。这样，其他线程就可以读取到最新的值，从而保证了可见性。

#### **十一、ThreadLocal是线程安全的吗？底层原理是什么？会存在内存泄露吗？** ####

**弱引用**：只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 内存空间是否充足，都会回收该对象占用的内存。

**ThreadLocal：**为共享变量在每个线程中创建一个副本，每个线程都可以访问自己内部的副本变量。通过 threadlocal 保证**线程的安全性**。

在 ThreadLocal 类中有一个**静态内部类** ThreadLocalMap(其类似于 Map)，用键值对的形式存储每一个线程的变量副本，ThreadLocalMap 中元素的 key 为当前ThreadLocal 对象，而 value 对应线程的变量副本。ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 **key** 保存到 ThreadLocalMap中，但是这里要注意的是它作为一个 key 用的是**弱引用**，因为没有强引用链，**弱引用在 GC的时候可能会被回收**。这样就会在 ThreadLocalMap 中存在一些key为null的键值对（Entry）。因为 key 变成 null 了，我们是没法访问这些 Entry 的，但是这些 Entry 本身是不会被清除的。如果没有手动删除对应 key 就会导致这块内存即不会回收也无法访问，也就是**内存泄漏**。使用完 ThreadLocal之后，记得调用 **remove**方法。

1.每个Thread维护一个ThreadLocalMap，这个ThreadLocalMap的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值Object

2.每个Thread线程内部都有一个ThreadLocalMap，Map里面存储ThreadLocal对象（key）和线程的变量副本（value）

3.Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值

4.对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

注意：在**不使用线程池**的前提下，即使不调用 remove 方法，因此是ThreadLocal是**弱引用**，线程的"变量副本"也会被gc回收，即**不会造成内存泄漏**的情况。

#### 十二、HashMap和ConcurrentHashMap有什么区别？ ####

首先HashMap和ConcurrentHashMap都是Map接口的**实现类**。可以从以下三个方面分析它们的区别：

**线程安全方面**：由于HashMap没有加锁机制，**线程不安全**；ConcurrentHashMap内部加了**分段锁**，**线程安全**。

**并发性能**：由于ConcurrentHashMap采用了分段锁机制，因此可以**支持多个线程同时进行读写**操作，并且在**高并发的场景**下性能更好。而HashMap默认没有加锁，需要手动加锁，如果多个线程同时修改同一个HashMap对象，可以会出现**锁竞争条件和死锁**问题。

**底层数据结构不同**：HashMap底层使用**数组+链表+红黑树**，而ConcurrentHashMap底层使用**分段锁**（segment）机制实现。

**ConcurrentHashMap底层分段锁原理**：

**JDK1.7**的时候：ConcurrentHashMap**为保证线程安全**，使用的是分段锁机制--->首先将数据分为一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当线程占用锁访问的数据时，其他段数据也能访问。但是，这种方式在**高并发场景下**仍然存在性能瓶颈，因为**多个线程仍然需要竞争同一个锁**。

**JDK1.8**之后：**为提高效率**，放弃了分段锁的设计，取代的是**Node+CAS+Synchronized**保证并发安全实现，ConcurrentHashMap将底层数据结构分成了**多个小的桶**（Segment），每个桶都维护了**一个独立的哈希表**，不同的线程可以同时访问不同的桶，从而**避免了多个线程竞争同一个锁的情况**，提高了并发性能和效率。syschronized只锁当前链表或红黑树的首节点，只要hash不冲突，效率就提高了。

#### 十三、HashMap和HashTable有什么区别？ ####

**1、线程安全性**：

HashTable是**线程安全**的，HashMap是**非线程安全**的。因为ashTable的核心方法都加了**synchronized同步锁**，hashMap没有加锁。

**2、null值的处理：**

HashMap**允许键和值为空(null)**,它可以存储null值以及使用null作为键值对。而HashTable不允许键或值为空（null）,如果尝试存储Null值或使用null作为键，则会抛出NullPointerException异常。

**3、遍历方式：**

HashMap可以**双向遍历**，并可以进行**删除**操作；而HashTable只能**单向遍历**集合元素，不能进行删除操作。

**4、初始容量和扩容机制：**

Hashtable默认的初始容量是**11**，每次扩容时容量变为原来的**两倍加一**

HashMap默认的初始容量是**16**，每次扩容时容量变为原来的**两倍**

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