多线程面试梳理

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对于新手来说，掌握的多线程知识可能仅限于多线程的几种实现方式，线程的几种状态，以及wait，notify的简单用法。这如果面试的话必死无疑。

接下来整理一下多线程面试题，以及最重要的细节。

1、并发编程三要素，有点像数据库事务的ACID。
1）原子性
原子性指的是一个或者多个操作，要么全部执行并且在执行的过程中不被其他操作打断，要么就全部都不执行。

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock，以及Atomic来实现。
请分析以下哪些操作是原子性操作：

1 2 3 4

x = 10;         //语句1 y = x;         //语句2 x++;           //语句3 x = x + 1;     //语句4

咋一看，有些朋友可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。
语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。

2）可见性
可见性指多个线程操作一个共享变量时，其中一个线程对变量进行修改后，其他线程可以立即看到修改的结果。
3）有序性
有序性，即程序的执行顺序按照代码的先后顺序来执行。

一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

2、实现可见性的方法有哪些
synchronized或者Lock：保证同一个时刻只有一个线程获取锁执行代码，锁释放之前把最新的值刷新到主内存，实现可见性。
注意：加锁的含义不仅是局限于互斥行为，还包括内存可见性，为了确保所有线程都能看到共享变量的最新值，所有执行读写操作的线程都要在同一个锁上同步。
java提供了一种轻量级的同步，就是volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知都其他线程。
volatile变量的正确使用场景包括：确保它们自身状态的可见性，确保它们所引用对象的状态的可见性，以及标识一些重要的程序生命周期事件的发生。对于一些需要先检查后执行的操作，可以使用volatile。
volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗

使用volatile必须具备以下2个条件：
           1）对变量的写操作不依赖于当前值
           2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

3、创建线程的有哪些方式？
1）继承Thread类创建线程类
2）通过Runnable接口创建线程类
3）通过Callable和Future创建线程
4）通过线程池创建

4、创建线程的三种方式的对比？
1）采用实现Runnable、Callable接口的方式创建多线程。
优势是：
线程类只是实现了Runnable接口或Callable接口，还可以继承其他类。
在这种方式下，多个线程可以共享同一个target对象，所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况，从而可以将CPU、代码和数据分开，形成清晰的模型，较好地体现了面向对象的思想。
劣势是：
编程稍微复杂，如果要访问当前线程，则必须使用Thread.currentThread()方法。
2）使用继承Thread类的方式创建多线程
优势是：
编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用Thread.currentThread()方法，直接使用this即可获得当前线程。
劣势是：
线程类已经继承了Thread类，所以不能再继承其他父类。
3）Runnable和Callable的区别
Callable规定（重写）的方法是call()，Runnable规定（重写）的方法是run()。
Callable的任务执行后可返回值，而Runnable的任务是不能返回值的。
Call方法可以抛出异常，run方法不可以。
运行Callable任务可以拿到一个Future对象，表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并检索计算的结果。通过Future对象可以了解任务执行情况，可取消任务的执行，还可获取执行结果。

那么这个组合的使用有什么好处呢？假设有一个很耗时的返回值需要计算，并且这个返回值不是立刻需要的话，那么就可以使用这个组合，用另一个线程去计算返回值，而当前线程在使用这个返回值之前可以做其它的操作，等到需要这个返回值时，再通过Future得到

public class CallableAndFuture {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<Integer> future = threadPool.submit(new Callable<Integer>() {
            public Integer call() throws Exception {
                return new Random().nextInt(100);
            }
        });
        try {
            Thread.sleep(5000);// 可能做一些事情
            System.out.println(future.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
 

5、Java线程具有五种基本状态
1）新建状态（New）：当线程对象对创建后，即进入了新建状态，如：Thread t = new MyThread()；
2）就绪状态（Runnable）：当调用线程对象的start()方法（t.start();），线程即进入就绪状态。处于就绪状态的线程，只是说明此线程已经做好了准备，随时等待CPU调度执行，并不是说执行了t.start()此线程立即就会执行；
3）运行状态（Running）：当CPU开始调度处于就绪状态的线程时，此时线程才得以真正执行，即进入到运行状态。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；
4）阻塞状态（Blocked）：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。
根据阻塞产生的原因不同，阻塞状态又可以分为三种：
a.等待阻塞：运行状态中的线程执行wait()方法，使本线程进入到等待阻塞状态；
b.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)，它会进入同步阻塞状态；
c.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。
5）死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

6、什么是线程池
线程池就是提前创建若干个线程，如果有任务需要处理，线程池里的线程就会处理任务，处理完之后线程并不会被销毁，而是等待下一个任务。由于创建和销毁线程都是消耗系统资源的，所以当你想要频繁的创建和销毁线程的时候就可以考虑使用线程池来提升系统的性能。
java 提供了一个 java.util.concurrent.Executor接口的实现用于创建线程池。
7、线程池有哪几种创建方式
1）newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池
2）newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数。
3）newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
4）newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务。
8、线程池的优点
1）重用存在的线程，减少对象创建销毁的开销。
2）可有效的控制最大并发线程数，提高系统资源的使用率，同时避免过多资源竞争，避免堵塞。
3）提供定时执行、定期执行、单线程、并发数控制等功能。

9、常用的并发工具类有哪些？
CountDownLatch
CyclicBarrier
Semaphore
Exchanger

10 为什么wait()和notify()不属于Thread,却属于Object类
wait()暂停的是持有锁的对象，所以想调用wait()必须为：对象.wait();notify()唤醒的是等待锁的对象，调用:对象.notify();
注意：wait(),notify(),notifyAll()都必须使用在同步中，因为要对持有监视器(锁)的线程操作。所以要使用在同步中，因为只有同步 才具有锁。
为什么这些操作线程的方法要定义在object类中呢？
简单说：因为synchronized中的这把锁可以是任意对象，所以任意对象都可以调用wait()和notify()；所以wait和notify属于Object。
专业说：因为这些方法在操作同步线程时，都必须要标识它们操作线程的锁，只有同一个锁上的被等待线程，可以被同一个锁上的notify唤醒，不可以对不同锁中的线程进行唤醒。
也就是说，等待和唤醒必须是同一个锁。而锁可以是任意对象，所以可以被任意对象调用的方法是定义在object类中。
在jdk1.5以后，将同步synchronized替换成了Lock，将同步锁对象换成了Condition对象，并且Condition对象可以有多个。
Condition中的await(), signal().signalAll()代替Object中的wait(),notify(),notifyAll(),这样做的好处，我们可以指定唤醒某一方，减少消耗.

private Lock lock = new ReentrantLock();

private Condition condition_pro = lock.newCondition();//生产者对象

private Condition condition_con = lock.newCondition();//消费者对象

public void set(String name) throws Exception{

lock.lock();//加锁

try{

while(flag){

contion_pro.await();

Sytem.out.printLn("生产者");

   flag= true;

condition_con.singal();//指定唤醒消费方

}finally{

lock.unlock();//解锁

}

}

}

public void out() throws Exception{

lock.lock();

try{

while(!flag){

condition_con.await();

Sytem.out.printLn("消费者");

flag = false;

condition_pro.signal();//指定唤醒生产方

}finally{

lock.unlock();

}

}

}
 

11、什么是CAS
CAS是compare and swap的缩写，即我们所说的比较交换。
cas是一种基于锁的操作，而且是乐观锁。在java中锁分为乐观锁和悲观锁。悲观锁是将资源锁住，等一个之前获得锁的线程释放锁之后，下一个线程才可以访问。而乐观锁采取了一种宽泛的态度，通过某种方式不加锁来处理资源，比如通过给记录加version来获取数据，性能较悲观锁有很大的提高。
CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）

和新值(B)。如果内存地址里面的值和A的值是一样的，那么就将内存里面的值更新成B。CAS是通过无限循环来获取数据的，若果在第一轮循环中，a线程获取地址里面的值被b线程修改了，那么a线程需要自旋，到下次循环才有可能机会执行。
java.util.concurrent.atomic 包下的类大多是使用CAS操作来实现的( AtomicInteger,AtomicBoolean,AtomicLong)。 

12、CAS的问题
1）CAS容易造成ABA问题
一个线程a将数值改成了b，接着又改成了a，此时CAS认为是没有变化，其实是已经变化过了，而这个问题的解决方案可以使用版本号标识，每操作一次version加1。在java5中，已经提供了AtomicStampedReference来解决问题。
2） 不能保证代码块的原子性
CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。
3）CAS造成CPU利用率增加
之前说过了CAS里面是一个循环判断的过程，如果线程一直没有获取到状态，cpu资源会一直被占用。 

13、什么是AQS
AQS是AbustactQueuedSynchronizer的简称，它是一个Java提高的底层同步工具类，用一个int类型的变量表示同步状态，并提供了一系列的CAS操作来管理这个同步状态。
AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。

重入锁的实现，就是
1、使用 CAS 对 原子state 进行操作，再根据操作的结果来进行资源控制，且当获取资源失败后，
2、使用 On Sync Queue 来进行阻塞等待排队，并等待唤醒以便进行再次对 原子state 进行 CAS 操作来尝试获取资源
的这么一个反复循环的过程。

 

14、AQS支持两种同步方式：
1）独占式
2）共享式
这样方便使用者实现不同类型的同步组件，独占式如ReentrantLock(可重入锁)，共享式如Semaphore，CountDownLatch，组合式的如ReentrantReadWriteLock。总之，AQS为使用提供了底层支撑，如何组装实现，使用者可以自由发挥。

可重入：
如果你了解过synchronized关键字，一定知道他的可重入性，可重入就是同一个线程可以重复加锁，每次加锁的时候count值加1，每次释放锁的时候count减1，直到count为0，其他的线程才可以再次获取。

 

15、ReadWriteLock是什么
首先明确一下，不是说ReentrantLock不好，只是ReentrantLock某些时候有局限。如果使用ReentrantLock，可能本身是为了防止线程A在写数据、线程B在读数据造成的数据不一致，但这样，如果线程C在读数据、线程D也在读数据，读数据是不会改变数据的，没有必要加锁，但是还是加锁了，降低了程序的性能。
因为这个，才诞生了读写锁ReadWriteLock。ReadWriteLock是一个读写锁接口，ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock接口的一个具体实现，实现了读写的分离，读锁是共享的，写锁是独占的，读和读之间不会互斥，读和写、写和读、写和写之间才会互斥，提升了读写的性能。

线程写数据的时候加锁是为了确保数据的准确性，但是线程读数据的时候再加锁就会大大降低效率，这时候怎么办呢？那就对写数据和读数据分开，加上两把不同的锁，不仅保证了正确性，还能提高效率。

我们只需要保证读锁和写锁来自同一个 ReentrantReadWriteLock 即可
可以锁降级
线程获取写入锁后可以获取读取锁，然后释放写入锁，这样就从写入锁变成了读取锁，从而实现锁降级的特性。

不可锁升级
线程获取读锁是不能直接升级为写入锁的。需要释放所有读取锁，才可获取写锁。

private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();//定义读写锁
//根据 key 获取 value 值
public Object getValue(String key){
    //使用读写锁的基本结构
    lock.readLock().lock();//加读锁
    Object value = null;
    try{
        value = cache.get(key);
        if(value == null){
            lock.readLock().unlock();//value值为空，释放读锁
            lock.writeLock().lock();//加写锁，写入value值
            try{
                //重新检查 value值是否已经被其他线程写入
                if(value == null){
                    value = "value";//写入数据
                }
            }finally{
                lock.writeLock().unlock();
            }
            lock.readLock().lock();
        }
    }finally{
        lock.readLock().unlock();
    }
    return value;
}

16、sleep方法和wait方法有什么区别
这个问题常问，sleep方法和wait方法都可以用来放弃CPU一定的时间，不同点在于如果线程持有某个对象的监视器，sleep方法不会放弃这个对象的监视器，wait方法会放弃这个对象的监视器

17、Java死锁以及如何避免
Java中的死锁是一种编程情况，其中两个或多个线程被永久阻塞，Java死锁情况出现至少两个线程和两个或更多资源。
Java发生死锁的根本原因是：在申请锁时发生了交叉闭环申请。

1）是多个线程涉及到多个锁，这些锁存在着交叉，所以可能会导致了一个锁依赖的闭环。
例如：线程在获得了锁A并且没有释放的情况下去申请锁B，这时，另一个线程已经获得了锁B，在释放锁B之前又要先获得锁A，因此闭环发生，陷入死锁循环。
2）默认的锁申请操作是阻塞的。
所以要避免死锁，就要在一遇到多个对象锁交叉的情况，就要仔细审查这几个对象的类中的所有方法，是否存在着导致锁依赖的环路的可能性。总之是尽量避免在一个同步方法中调用其它对象的延时方法和同步方法。

18、如果你提交任务时，线程池队列已满，这时会发生什么
这里区分一下：
1）如果使用的是无界队列LinkedBlockingQueue，也就是无界队列的话，没关系，继续添加任务到阻塞队列中等待执行，因为LinkedBlockingQueue可以近乎认为是一个无穷大的队列，可以无限存放任务
2）如果使用的是有界队列比如ArrayBlockingQueue，任务首先会被添加到ArrayBlockingQueue中，ArrayBlockingQueue满了，会根据maximumPoolSize的值增加线程数量，如果增加了线程数量还是处理不过来，ArrayBlockingQueue继续满，那么则会使用拒绝策略RejectedExecutionHandler处理满了的任务，默认是AbortPolicy

 19、Semaphore有什么作用
Semaphore就是一个信号量，它的作用是限制某段代码块的并发数。Semaphore有一个构造函数，可以传入一个int型整数n，表示某段代码最多只有n个线程可以访问，如果超出了n，那么请等待，等到某个线程执行完毕这段代码块，下一个线程再进入。由此可以看出如果Semaphore构造函数中传入的int型整数n=1，相当于变成了一个synchronized了。

Semaphore(信号量)，叫许可证可能更好理解，用于做限流处理，比如说同时只允许5五个人访问，超过五个人访问就需要等待，类似这样的需求，下面的案例可以看出执行是五个五个的执行，等上一个五个执行完了，才会执行下一个

        // 线程池  
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        // 只能5个线程同时访问  
        final Semaphore semp = new Semaphore(5);
        // 模拟20个客户端访问  
        for (int index = 0; index < 20; index++) {
            final int NO = index;
            Runnable run = new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        // 获取许可  
                        semp.acquire();
                        System.out.println("Accessing: " + NO);
                        //模拟实际业务逻辑
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        // 访问完后，释放  
                        semp.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            };
            exec.execute(run);
        }
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //System.out.println(semp.getQueueLength());
        // 退出线程池
        exec.shutdown();