记录一下CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的使用例子

本文通过具体实例介绍了Java并发包中的CountDownLatch与CyclicBarrier组件的使用方法。CountDownLatch用于协调多个独立任务,确保所有任务完成后再继续执行后续操作;而CyclicBarrier则允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点。

之前的面试有被提到过java.util.concurrent中解决并发的问题。

看Thinking in Java 学习一下其中一些构件的使用。

本文记录关于CountDownLatch  和 CyclicBarrier 使用的小例子。

CountDownLatch 典型用法就是将一个程序分成n个相互独立的可解决的任务(锁存器)

public class CountDownLatchDemo {
	static final int SIZE = 10;
	public static void main(String[] args){
		ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
		// All must share a single CountDownLatch object
		CountDownLatch latch = new CountDownLatch(SIZE);// 初始化CountDownLatch,并初始化计数值为100
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			exec.execute(new WaitingTask(latch));
		}
		for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
			exec.execute(new TaskPortion(latch));
		}
		System.out.println("Launched all tasks");
		exec.shutdown();// Quit when all tasks complete
	}
}

注意:
  1. CountDownLatch 被设计只能触发一次,初始化时要传入一个初始计数值
  2. 初始计数值不能被重置,当任务完成时,这个锁存器调用 CountDown() 方法来减小计数值
  3. 等待被解决的任务调用 latch 的 await() 方法进入阻塞,直到正在进行的任务的计数器为 0 
上面的主函数先执行 10 个 WaitingTask(顾名思义,需要等待执行的任务),然后执行另一个任务 TaskPortion 。下面给出两个任务类的实现代码:

class TaskPortion implements Runnable {
	private static int counter = 0;
	private final int id = counter++;
	private static Random rand = new Random(47);
	private final CountDownLatch latch;
	public TaskPortion(CountDownLatch latch) {// must initialize latch in constructor because of final latch
		// TODO Auto-generated constructor stub
		this.latch = latch;
	}
	@Override
	public void run() {
		// TODO Auto-generated method stub
		try {
			doWork();
			latch.countDown();
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}
	private void doWork() throws InterruptedException {
		// TODO Auto-generated method stub
		TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(rand.nextInt(2000));// rand.nextInt() is safe 
		System.out.println(this + "completed");
	}
	@Override
	public String toString() {
		// TODO Auto-generated method stub
		return String.format("%1$-3d ", id);
	}
}

注意:

  1. TaskPortion 的 doWork() 方法随机休眠一段时间来模拟部分工作的完成
  2. 当模拟任务完成后,计数值减一
  3. TaskPortion 内包含一个静态 Random 对象,有可能多线程同时调用 Random.nextInt() ,但它是线程安全的。当然可以移除 static 限定符来解决
class WaitingTask implements Runnable {
	private static int counter = 0;
	private final int id = counter++;
	private final CountDownLatch latch;
	public WaitingTask(CountDownLatch latch) {
		// TODO Auto-generated constructor stub
		this.latch = latch;
	}
	@Override
	public void run() {
		// TODO Auto-generated method stub
		try {
			latch.await();
			System.out.println("Latch barrier passed for " + this.toString());
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			System.out.println(this + " interrupted");
		}
	}
	@Override
	public String toString() {
		// TODO Auto-generated method stub
		return String.format("WaitingTask %1$-3d ", id);
	}
}

注意:

  1. WaitingTask 调用了 latch 的 await() 方法,会等待 TaskPortion 中计数值将为 0 在执行。
结果截图:


CyclicBarrier 可以多次重用,下一步骤在当前步骤完成前等待。

public class HorseRace {
	static final int FINISH_LINE = 10;
	private List<Horse> horses = new ArrayList<>();
	private ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	private CyclicBarrier barrier;
	public HorseRace(int nHorses, final int pause) {
		// TODO Auto-generated constructor stub
		barrier = new CyclicBarrier(nHorses, new Runnable() {
			
			@Override
			public void run() {
				// TODO Auto-generated method stub
				StringBuilder s = new StringBuilder();
				for (int i = 0; i < FINISH_LINE; i++) {
					s.append("=");// The fence on the racetrack
				}
				System.out.println(s);
				for(Horse horse : horses){
					System.out.println(horse.tracks());
				}
				for(Horse horse : horses)
					if (horse.getStrides() >= FINISH_LINE) {
						System.out.println(horse + "won!");
						exec.shutdownNow();
						return;
					}
				try {
					TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(pause);
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					System.out.println("barrier-action sleep interrupted");
				}
			}
		});
		for (int i = 0; i < nHorses; i++) {
			Horse horse = new Horse(barrier);
			horses.add(horse);
			exec.execute(horse);
		}
	}
	
	public static void main(String[] args){
		int nHorses = 3;
		int pause = 200;
		if (args.length > 0) {
			int n = new Integer(args[0]);
			nHorses = n > 0 ? n : nHorses;
		}
		if (args.length > 1) {
			int p = new Integer(args[1]);
			pause = p > 0 ? p : pause;
		}
		new HorseRace(nHorses, pause);
	}
	
	
}

注意:

  1. 向 CyclicBarrier 提供了一个“栅栏动作”,即一个Runnable,以匿名内部类的形式创建;
  2. Runnable 的动作当计数值(此例中为马的数量 nHorse)到达 0 时 自动执行
  3. FINISH_LINE 定义了赛道长度,打印“=”
  4. 打印各匹马的轨迹,当有马大于等于赛道长度时,停止所有任务(shutdownNow() , 与 shutdown() 的区别)
  5. 每一个 Horse 对象都由一个线程控制,来控制进度轨迹。
class Horse implements Runnable {
	private static int counter = 0;
	private final int id = counter++;
	private int strides = 0;
	
	private static Random rand = new Random(47);
	private static CyclicBarrier barrier;
	public Horse(CyclicBarrier barrier) {
		// TODO Auto-generated constructor stub
		this.barrier = barrier;
	}
	public synchronized int getStrides(){return strides;}
	@Override
	public void run() {
		// TODO Auto-generated method stub
		try {
			while (!Thread.interrupted()) {
				synchronized(this){
					strides += rand.nextInt(3); // Produces 0, 1, or 2
				}
				barrier.await();
			}
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			// An legitimate way to exit
			e.printStackTrace();
		} catch (BrokenBarrierException e){
			// This is the way we want to know about
			throw new RuntimeException(e);
		}
	}	
	@Override
	public String toString() {
		// TODO Auto-generated method stub
		return "Horse " + id + " ";
	}
	public String tracks(){
		StringBuilder s = new StringBuilder();
		for (int i = 0; i < getStrides(); i++) {
			s.append("*");
		}
		s.append(id);
		return s.toString();
	}
}


我是7年经验的程序员,以下面试题请给我答案,要求全面有深度: 1.线程池核心参数有哪些?线程池工作流程?有哪几种线程池?说明不同线程池类型的使用场景及其优缺点? 2.synchronizedReentrantLock有什么区别?在实际项目中,您如何选择使用它们? 4.什么是死锁?如何预防解决死锁? 5.阻塞队列有哪些?分别介绍一下 6.在并发编程中,CountDownLatchCyclicBarrierSemaphore有何异同?请举例说明它们各自的使用场景。 7.如何通过使用volatile关键字解决Java中的可见性问题?volatile与原子操作有什么关系? 8.ConcurrentHashMap在Java1.8中相比之前的版本有哪些重要改进? 9.ConcurrentHashMap是线程安全的吗?在哪种情况下可能会出现数据一致性问题?您会如何防止这种情况发生? 10 在处理并发数据访问时,您是如何考虑选择乐观锁还是悲观锁的?为什么? 11.HashMap存储数据的过程 12.介绍一下ThreadLocal,ThreadLocal内存泄漏问题 13.谈谈你是如何理解线程安全的?有哪些实现线程安全的方案? 14.并发并行的区别? 15.synchronized的实现原理?它是如何保证原子性、可见性及有序性?锁升级的过程是怎么样的?synchronized是非公平锁吗,是如何体现非公平的? 16.如何理解CAS?存在什么问题?CAS一定要自旋吗? 17.介绍一下AQS?AQS中的同步队列条件队列原理?什么是AQS的独占模式共享模式?AQS为什么采用双向链表?
最新发布
10-21
<think>嗯,用户这次的需求非常明确,就是要一份全面且深入的Java并发编程面试指南,覆盖了将近20个核心知识点。从线程池到锁机制再到并发工具,几乎涵盖了Java并发编程的所有关键领域。用户显然是准备高级面试或者技术复盘,需要系统性的知识梳理。 用户列出的问题清单相当专业,涉及很多底层细节比如CAS的自旋情况、AQS的双向链表设计等,说明用户应该是有一定并发编程基础的开发者。不过问题中也包含了一些基础概念如并发并行的区别,可能是为了知识体系的完整性。 在整理答案时,我需要特别注意几个技术难点:首先是ConcurrentHashMap在1.8版本的改进,需要讲清楚放弃分段锁改为CAS+synchronized的设计考量;其次是synchronized锁升级过程,要准确描述偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的转换条件;还有ThreadLocal的内存泄漏问题,要强调弱引用与强引用的配合机制。 值得欣慰的是,用户提到的所有问题在Java并发体系里都是经典命题,有权威资料可以参考。不过CountDownLatchCyclicBarrier的对比需要更场景化的说明,计划用项目启动多阶段任务的例子来区分。对于volatile的可见性原理,考虑用JMM内存模型的图示辅助说明(虽然回复里没法放图,但描述时要让用户能脑补出工作内存与主内存的交互)。 注意到用户特意要求包含使用场景,比如线程池类型的选择依据,这在回复里需要给出明确的决策树:IO密集型用缓存池,计算密集型用固定池等。死锁预防部分要突出实战性,准备推荐按固定顺序申请锁这种可落地的方案。 最后补充两个隐藏要点:一是ConcurrentHashMap的size()方法实现原理(基于CounterCell的分散计数),二是ReentrantLock可中断的优势(对分布式锁场景很重要),虽然用户没直接问,但面试常考。 </think>以下是一份全面且深入的Java并发编程面试题解答,涵盖您提到的所有核心知识点,结合原理、源码实践经验整理: --- ### **一、线程池** 1. **核心参数** - `corePoolSize`:核心线程数(常驻线程) - `maximumPoolSize`:最大线程数(临时线程上限) - `keepAliveTime`:临时线程存活时间 - `unit`:时间单位 - `workQueue`:阻塞队列(如`ArrayBlockingQueue`) - `threadFactory`:线程创建工厂 - `handler`:拒绝策略(`AbortPolicy`/`CallerRunsPolicy`等) 2. **工作流程** ```mermaid graph LR A[提交任务] --> B{核心线程是否满?} B -->|未满| C[创建核心线程执行] B -->|已满| D{队列是否满?} D -->|未满| E[任务入队] D -->|已满| F{线程数是否达到最大值?} F -->|未达| G[创建临时线程执行] F -->|已达| H[触发拒绝策略] ``` 3. **类型及使用场景** - `FixedThreadPool`:固定线程数(CPU密集型任务) - `CachedThreadPool`:弹性线程数(短时异步任务) - `SingleThreadExecutor`:单线程(顺序执行场景) - `ScheduledThreadPool`:定时任务(延时/周期执行) --- ### **二、synchronized vs ReentrantLock** | **特性** | **synchronized** | **ReentrantLock** | |------------------|--------------------------------------|---------------------------------------| | 实现机制 | JVM级别(`monitorenter`/`monitorexit`) | API级别(`AQS`实现) | | 锁释放 | 自动释放(代码块结束) | 必须手动`unlock()` | | 公平性 | 非公平锁 | 可配置公平/非公平 | | 中断响应 | 不支持 | `lockInterruptibly()`支持中断 | | 条件队列 | 单一`wait()`/`notify()` | 多条件队列(`Condition`) | > **选择依据**:简单同步用`synchronized`;需超时、可中断或公平锁时选`ReentrantLock`[^1]。 --- ### **三、死锁预防与解决** **预防方案**: 1. 固定锁顺序(避免环路等待) 2. 尝试锁机制(`tryLock` + 超时) 3. 减少同步范围 **排查工具**: - `jstack`:分析线程栈找到`BLOCKED`状态锁持有关系 - Arthas:`thread -b`命令直接定位死锁 --- ### **四、阻塞队列** | **队列类型** | **特点** | **适用场景** | |----------------------|---------------------------------------|---------------------------| | `ArrayBlockingQueue` | 数组实现,固定容量 | 生产消费模型 | | `LinkedBlockingQueue`| 链表实现,可选容量上限 | 高吞吐任务 | | `SynchronousQueue` | 无缓存,直接传递任务 | 线程池任务交接 | | `PriorityBlockingQueue`| 优先级排序 | 任务优先级调度 | --- ### **五、CountDownLatch vs CyclicBarrier vs Semaphore** | **工具** | **作用** | **重用性** | **场景** | |--------------------|------------------------------|------------|---------------------------| | `CountDownLatch` | 等待多个任务完成 | 一次性 | 主线程等待子任务初始化 | | `CyclicBarrier` | 多线程相互等待到达屏障点 | 可循环 | 多阶段并行计算 | | `Semaphore` | 控制并发访问资源的线程数 | 可重用 | 数据库连接池限流 | --- ### **六、volatile关键字** ```java public class VisibilityDemo { private volatile boolean flag = false; // 保证多线程可见性 void writer() { flag = true; } void reader() { while (!flag) Thread.yield(); } } ``` - **可见性原理**:通过`内存屏障`禁止指令重排,强制刷新主内存 - **非原子性**:`volatile`不保证复合操作原子性(如`i++`需配合`synchronized`或`AtomicInteger`) --- ### **七、ConcurrentHashMap(JDK1.8+)** **核心改进**: 1. 抛弃分段锁,采用`Node数组 + 链表/红黑树` 2. 锁粒度细化到桶级别(头节点`synchronized`锁) 3. 使用`CAS`实现无锁化插入 4. `size()`方法通过`baseCount``CounterCell`分段计数 **线程安全**: - 写操作:桶头节点加锁(链表)或`CAS`(树节点) - 读操作:无锁访问`volatile`修饰的`Node.val` --- ### **八、乐观锁 vs 悲观锁** | **锁类型** | **实现** | **适用场景** | |------------|---------------------------|---------------------------| | 悲观锁 | `synchronized`/`ReentrantLock` | 写多读少,竞争激烈 | | 乐观锁 | `CAS`(如`AtomicInteger`) | 读多写少,冲突概率低 | > **选型**:高并发写用悲观锁避免频繁重试;低冲突场景用CAS减少上下文切换[^2]。 --- ### **九、HashMap存储原理** ```java // 存储过程伪代码 1. 计算key的hash:hash = (key == null) ? 0 : hash(key) 2. 定位桶位置:index = (n-1) & hash // n为数组长度 3. 遍历链表/红黑树: - 存在相同key:覆盖value - 否则插入新节点(链表长度≥8转红黑树) ``` --- ### **十、ThreadLocal内存泄漏问题** **泄漏根源**: ```mermaid graph LR Thread-->ThreadLocalMap-->Entry Entry-.弱引用.->ThreadLocal Entry-.强引用.->Value ``` - **Key泄漏**:`ThreadLocal`被回收后,`Entry`的Key为`null` - **Value泄漏**:`Value`因线程存活而无法回收 **解决方案**: 1. 使用后立即`remove()`清除条目 2. 使用`static final`修饰`ThreadLocal`减少创建 --- ### **十一、线程安全实现方案** 1. **不可变对象**:`final`修饰(如`String`) 2. **互斥同步**:`synchronized`/`ReentrantLock` 3. **非阻塞同步**:`CAS`(`AtomicXXX`类) 4. **线程隔离**:`ThreadLocal` 5. **并发容器**:`ConcurrentHashMap`/`CopyOnWriteArrayList` --- ### **十二、并发 vs 并行** ```java // 并发:任务交替执行(单核CPU) ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4); // 并行:任务同时执行(多核CPU) ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4); ``` - **本质区别**:并发是逻辑同时,并行是物理同时。 --- ### **十三、synchronized底层原理** 1. **锁升级**: - 无锁 → 偏向锁(单线程重入) - 偏向锁 → 轻量级锁(多线程竞争) - 轻量级锁 → 重量级锁(自旋失败) 2. **公平性**:非公平锁(唤醒后与新线程竞争) 3. **实现**:对象头`MarkWord`记录锁状态持有线程 --- ### **十四、CAS(Compare And Swap)** ```java public class CASDemo { private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); void increment() { int oldValue; do { oldValue = count.get(); } while (!count.compareAndSet(oldValue, oldValue + 1)); } } ``` - **问题**: - ABA问题(加版本号解决:`AtomicStampedReference`) - 自旋开销大(冲突严重时升级为重量级锁) - **自旋条件**:竞争线程少且临界区代码执行快 --- ### **十五、AQS(AbstractQueuedSynchronizer)** **核心设计**: 1. **同步队列**:CLH双向链表管理阻塞线程 ```mermaid graph LR Head-->Node1-->Node2-->Tail ``` 2. **条件队列**:每个`Condition`维护独立等待队列 3. **独占模式**:`ReentrantLock`(资源仅一个线程访问) 4. **共享模式**:`Semaphore`(资源允许多线程访问) **双向链表原因**: - 高效取消阻塞线程(需快速访问前驱节点) - 避免线程唤醒丢失问题(从尾部安全添加节点) --- ### 相关问题 1. 为什么ConcurrentHashMap的`get()`操作不需要加锁? 2. 如何设计一个支持定时任务的线程池? 3. 解释`synchronized`锁膨胀为重量级锁后的性能影响 4. `ThreadLocal`在分布式系统中的作用局限? 5. 如何基于AQS实现一个自定义共享锁? > 参考资料: > [^1]: Brian Goetz. *Java Concurrency in Practice* > [^2]: Oracle官方文档 *Java™ Tutorials: Concurrency*
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值