Java基础：多线程、并发

Java多线程面试问题

• 进程和线程之间有什么不同？

• 答：一个进程是一个独立(self contained)的运行环境，它可以被看作一个程序或者一个应用。而线程是在进程中执行的一个任务。Java运行环境是一个包含了不同的类和程序的单一进程。线程可以被称为轻量级进程。线程需要较少的资源来创建和驻留在进程中，并且可以共享进程中的资源。
• 多线程编程的好处是什么？
• 答：在多线程程序中，多个线程被并发的执行以提高程序的效率，CPU不会因为某个线程需要等待资源而进入空闲状态。多个线程共享堆内存(heap memory)，因此创建多个线程去执行一些任务会比创建多个进程更好。举个例子，Servlets比CGI更好，是因为Servlets支持多线程而CGI不支持。

• 用户线程和守护线程有什么区别？

• 答：当我们在Java程序中创建一个线程，它就被称为用户线程。一个守护线程是在后台执行并且不会阻止JVM终止的线程。当没有用户线程在运行的时候，JVM关闭程序并且退出。一个守护线程创建的子线程依然是守护线程。

• 我们如何创建一个线程？

• 答：有两种创建线程的方法：一是实现Runnable接口，然后将它传递给Thread的构造函数，创建一个Thread对象；二是直接继承Thread类。

• 有哪些不同的线程生命周期？

• 答：当我们在Java程序中新建一个线程时，它的状态是New。当我们调用线程的start()方法时，状态被改变为Runnable。线程调度器会为Runnable线程池中的线程分配CPU时间并且讲它们的状态改变为Running。其他的线程状态还有Waiting，Blocked 和Dead。

• 可以直接调用Thread类的run()方法么？

• 答：当然可以，但是如果我们调用了Thread的run()方法，它的行为就会和普通的方法一样，为了在新的线程中执行我们的代码，必须使用Thread.start()方法。

• 如何让正在运行的线程暂停一段时间？

• 答：我们可以使用Thread类的Sleep()方法让线程暂停一段时间。需要注意的是，这并不会让线程终止，一旦从休眠中唤醒线程，线程的状态将会被改变为Runnable，并且根据线程调度，它将得到执行。

• 你对线程优先级的理解是什么？

• 答：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。

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

• 答：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）。

• 在多线程中，什么是上下文切换(context-switching)？

• 答：上下文切换是存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。上下文切换是多任务操作系统和多线程环境的基本特征。

• 你如何确保main()方法所在的线程是Java程序最后结束的线程？

• 答：我们可以使用Thread类的join()方法【谁设置了join这个方法,那么谁就必须要执行完毕,再去执行别的线程】来确保所有程序创建的线程在main()方法退出前结束。

• 线程之间是如何通信的？​​​​​​​

• 答：当线程间是可以共享资源时，线程间通信是协调它们的重要的手段。

  • 多个线程通过synchronized关键字这种方式来实现线程间的通信。

  • ​​​​​​​while轮询的方式：这种方式会浪费CPU资源。之所以说它浪费资源，是因为JVM调度器将CPU交给线程B执行时，它没做啥“有用”的工作，只是在不断地测试 某个条件是否成立。就类似于现实生活中，某个人一直看着手机屏幕是否有电话来了，而不是： 在干别的事情，当有电话来时，响铃通知TA电话来了。

  • Object类中wait()、notify()、notifyAll()方法可以用于线程间通信关于资源的锁的状态。

  • 管道通信就是使用java.io.PipedInputStream 和 java.io.PipedOutputStream进行通信

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

• 答：Java的每个对象中都有一个锁(monitor，也可以成为监视器) 并且wait()，notify()等方法用于等待对象的锁或者通知其他线程对象的监视器可用。在Java的线程中并没有可供任何对象使用的锁和同步器。这就是为什么这些方法是Object类的一部分，这样Java的每一个类都有用于线程间通信的基本方法

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

• 答：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。​​​​​​​

• 为什么Thread类的sleep()和yield()【暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程】方法是静态的？

• 答：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。

• 如何确保线程安全？

• 答：在Java中可以有很多方法来保证线程安全——同步，使用原子类(atomic concurrent classes)，实现并发锁，使用volatile关键字，使用不变类和线程安全类。

• volatile关键字在Java中有什么作用？​​​​​​​

• 答：当我们使用volatile关键字去修饰变量的时候，所以线程都会直接读取该变量并且不缓存它。这就确保了线程读取到的变量是同内存中是一致的。

• 同步方法和同步块，哪个是更好的选择？

• 答：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。

• 如何创建守护线程？​​​​​​​

• 答：使用Thread类的setDaemon(true)方法可以将线程设置为守护线程，需要注意的是，需要在调用start()方法前调用这个方法，否则会抛出IllegalThreadStateException异常。​​​​​​​

• 什么是ThreadLocal?

• 答：

  ThreadLocal用于创建线程的本地变量，我们知道一个对象的所有线程会共享它的全局变量，所以这些变量不是线程安全的，我们可以使用同步技术。但是当我们不想使用同步的时候，我们可以选择ThreadLocal变量。

  每个线程都会拥有他们自己的Thread变量，它们可以使用get()、set()方法去获取他们的默认值或者在线程内部改变他们的值。ThreadLocal实例通常是希望它们同线程状态关联起来是private static属性。

• 什么是Thread Group？为什么不建议使用它？

• 答：ThreadGroup是一个类，它的目的是提供关于线程组的信息。

  • ThreadGroup API比较薄弱，它并没有比Thread提供了更多的功能。它有两个主要的功能：一是获取线程组中处于活跃状态线程的列表；二是设置为线程设置未捕获异常处理器(ncaught exception handler)。但在Java 1.5中Thread类也添加了setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh) 方法，所以ThreadGroup是已经过时的，不建议继续使用。

• ​​​​​​​什么是Java线程转储(Thread Dump)，如何得到它？

• 答：线程转储是一个JVM活动线程的列表，它对于分析系统瓶颈和死锁非常有用。有很多方法可以获取线程转储——使用Profiler，Kill -3命令，jstack工具等等。我更喜欢jstack工具，因为它容易使用并且是JDK自带的。由于它是一个基于终端的工具，所以我们可以编写一些脚本去定时的产生线程转储以待分析。​​​​​​​

• ​​​​​​​什么是死锁(Deadlock)？如何分析和避免死锁？

• 答：死锁是指两个以上的线程永远阻塞的情况，这种情况产生至少需要两个以上的线程和两个以上的资源。

  • 分析死锁，我们需要查看Java应用程序的线程转储。我们需要找出那些状态为BLOCKED的线程和他们等待的资源。每个资源都有一个唯一的id，用这个id我们可以找出哪些线程已经拥有了它的对象锁。

  • 避免嵌套锁，只在需要的地方使用锁和避免无限期等待是避免死锁的通常办法。

• ​​​​​​​什么是Java Timer类？如何创建一个有特定时间间隔的任务？

• 答：java.util.Timer是一个工具类，可以用于安排一个线程在未来的某个特定时间执行。Timer类可以用安排一次性任务或者周期任务。

  • java.util.TimerTask是一个实现了Runnable接口的抽象类，我们需要去继承这个类来创建我们自己的定时任务并使用Timer去安排它的执行。

• ​​​​​​​什么是线程池？如何创建一个Java线程池？

• 答：一个线程池管理了一组工作线程，同时它还包括了一个用于放置等待执行的任务的队列。

  • java.util.concurrent.Executors提供了一个 java.util.concurrent.Executor接口的实现用于创建线程池。

• ​​​​​​​现在有线程 T1、T2 和 T3。你如何确保 T2 线程在 T1 之后执行，并且 T3 线程在 T2 之后执行？

• 答：这个线程面试题通常在第一轮面试或电话面试时被问到，这道多线程问题为了测试面试者是否熟悉 join 方法的概念。答案也非常简单——可以用 Thread 类的 join 方法实现这一效果。​​​​​​​

• Java 中新的 Lock 接口相对于同步代码块（synchronized block）有什么优势？如果让你实现一个高性能缓存，支持并发读取和单一写入，你如何保证数据完整性？

• 答：多线程和并发编程中使用 lock 接口的最大优势是它为读和写提供两个单独的锁，可以让你构建高性能数据结构，比如 ConcurrentHashMap 和条件阻塞。

• Java 中 wait 和 sleep 方法有什么区别？​​​​​​​

• 答：两者主要的区别就是等待释放锁和监视器。sleep方法在等待时不会释放任何锁或监视器。wait 方法多用于线程间通信，而 sleep 只是在执行时暂停。​​​​​​​

• 如何在 Java 中实现一个阻塞队列？​​​​​​​

• 答：wait()和notify()方式​​​​​​​

  • 阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列。​​​​​​​

• ​​​​​​​Java 中你如何唤醒阻塞线程？

• 答：

• notify()和notifyAll()有什么区别？

• 答：

  • notifyAll使所有原来在该对象上等待被notify的线程统统退出wait的状态，变成等待该对象上的锁，一旦该对象被解锁，他们就会去竞争。

  • notify他只是选择一个wait状态线程进行通知，并使它获得该对象上的锁，但不惊动其他同样在等待被该对象notify的线程们，当第一个线程运行完毕以后释放对象上的锁，此时如果该对象没有再次使用notify语句，即便该对象已经空闲，其他wait状态等待的线程由于没有得到该对象的通知，继续处在wait状态，直到这个对象发出一个notify。

  • notifyAll，它们等待的是被notify或notifyAll，而不是锁。

• ​​​​​​​什么是Daemon线程？它有什么意义？

• 答：在Java中有两类线程：User Thread(用户线程)、Daemon Thread(守护线程) 。Daemon的作用是为其他线程的运行提供便利服务，比如垃圾回收线程就是一个很称职的守护者。User和Daemon两者几乎没有区别，唯一的不同之处就在于虚拟机的离开：如果 User Thread已经全部退出运行了，只剩下Daemon Thread存在了，虚拟机也就退出了。

• synchronized和java.util.concurrent.locks.Lock的异同？

• 答：Lock 和 synchronized 有一点明显的区别 —— lock 必须在 finally 块中释放。否则，如果受保护的代码将抛出异常，锁就有可能永远得不到释放！这一点区别看起来可能没什么，但是实际上，它极为重要。忘记在 finally 块中释放锁，可能会在程序中留下一个定时炸弹，当有一天炸弹爆炸时，您要花费很大力气才有找到源头在哪。而使用同步，JVM 将确保锁会获得自动释放。

  • 一个 Lock 对象和一个 synchronized 代码块之间的主要不同点是：​​​​​​​​​​​​​​​​​​
    • synchronized 代码块不能够保证进入访问等待的线程的先后顺序。
    • 你不能够传递任何参数给一个 synchronized 代码块的入口。因此，对于 synchronized 代码块的访问等待设置超时时间是不可能的事情。
    • synchronized 块必须被完整地包含在单个方法里。而一个 Lock 对象可以把它的 lock() 和 unlock() 方法的调用放在不同的方法里。
• ​​​​​​​​​​​​​​乐观锁和悲观锁的理解及如何实现，有哪些实现方式？
• 答：
  • ​​​​​​​乐观锁，每次操作时不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。
  • 悲观锁是会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。
  • 乐观锁可以使用volatile+CAS原语实现，带参数版本来避免ABA问题，在读取和替换的时候进行判定版本是否一致。
  • 悲观锁可以使用synchronize的以及Lock。

Java并发面试问题

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

• 答：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 Concurrency API中的Lock接口(Lock interface)是什么？对比同步它有什么优势？

• 答：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：

    • 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
• ​​​​​​​​​​​​​​如何合理的配置java线程池？如CPU密集型的任务，基本线程池应该配置多大？IO密集型的任务，基本线程池应该配置多大？用有界队列好还是无界队列好？任务非常多的时候，使用什么阻塞队列能获取最好的吞吐量？
• 答：
  • ​​​​​​​配置线程池时CPU密集型任务可以少配置线程数，大概和机器的cpu核数相当，可以使得每个线程都在执行任务。
  • IO密集型时，大部分线程都阻塞，故需要多配置线程数，2*cpu核数。
  • 有界队列和无界队列的配置需区分业务场景，一般情况下配置有界队列，在一些可能会有爆发性增长的情况下使用无界队列。
  • 任务非常多时，使用非阻塞队列使用CAS操作替代锁可以获得好的吞吐量。

​​​​​​​线程安全

• 什么叫线程安全？servlet是线程安全吗? ​​​​​​​
• 答：如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。 或者说:一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题。
  • servlet不是线程安全的，每个servlet都只被实例化一次，每个调用都是servlet的同一个实例，并且对类变量没有线程安全，数据量大的时候容易照成异常。
• ​​​​​​​同步有几种实现方法？
• 答：同步的实现方法有五种：
  • 同步方法；
  • 同步代码块；
  • 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步；
  • 使用重入锁实现线程同步；
  • 使用局部变量实现线程同步 。
• volatile有什么用？能否用一句话说明下volatile的应用场景？  ​​​​​​​
• 答：Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。可以被看作是一种 “程度较轻的 synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且运行时开销也较少，但是它所能实现的功能也仅是 synchronized 的一部分。​​​​​​​
  • ​​​​​​​只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：
    • 对变量的写操作不依赖于当前值。
    • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
• ​​​​​​​​​​​​​​Java线程池中submit() 和 execute()方法有什么区别？
• 答：两个方法都可以向线程池提交任务，execute()方法的返回类型是void，它定义在Executor接口中, 而submit()方法可以返回持有计算结果的Future对象，它定义在ExecutorService接口中，它扩展了Executor接口，其它线程池类像ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor都有这些方法。​​​​​​​
• thread类中的yield方法有什么作用？
• 答：Yield方法可以暂停当前正在执行的线程对象，让其它有相同优先级的线程执行。它是一个静态方法而且只保证当前线程放弃CPU占用而不能保证使其它线程一定能占用CPU，执行yield()的线程有可能在进入到暂停状态后马上又被执行。​​​​​​​
• 什么场景下可以使用volatile替换synchronized？
• 答：只需要保证共享资源的可见性的时候可以使用volatile替代，synchronized保证可操作的原子性一致性和可见性。 volatile适用于新值不依赖于旧值的情形