java面试题总结--多线程

一、创建多线程的方式

1.继承Thread类

Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法。start()方法是一个native方法，它将启动一个新线程，并执行run()方法。

public class MyThread extends Thread { 
	public void run() { 
		System.out.println("MyThread.run()"); 
		} 
} 
MyThread myThread1 = new MyThread(); 
myThread1.start();

2.实现Runnable接口

如果自己写的类以及extends另一个类，就无法直接extends Thread类，此时，可以实现Runnable接口

public class MyThread extends OtherClas implements Runnable{
	public void run(){
		Systemt.out.println("MyThread.run()")
	}
}

3.ExecutorService、Callable、Futura有返回值线程

有返回值的任务必须实现Callable接口，类似的，无返回值的任务必须Runnable接口。执行Callable任务后，可以获取一个Future的对象，在该对象上调用get就可以获取到Callable任务返回的Object了，再结合线程池接口ExecutorService就可以实现传说中有返回结果的多线程了。

//创建一个线程池 
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize); 
// 创建多个有返回值的任务 
List<Future> list = new ArrayList<Future>(); 
for (int i = 0; i < taskSize; i++) { 
	Callable c = new MyCallable(i + " "); 
	// 执行任务并获取Future对象 
	Future f = pool.submit(c); 
	list.add(f); 
} 
// 关闭线程池 
pool.shutdown(); 
// 获取所有并发任务的运行结果 
for (Future f : list) { 
	// 从Future对象上获取任务的返回值，并输出到控制台 
	System.out.println("res：" + f.get().toString()); 
}

// 创建线程池 
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
 while(true) { 
 	threadPool.execute(new Runnable() { 
 	// 提交多个线程任务，并执行 
 		@Override 
 		public void run() { 
 			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running .."); 
 			try { 
 				Thread.sleep(3000); 
 			} catch (InterruptedException e) {
 				 e.printStackTrace(); 
 			} 
 		} 
 	}); 
 } 

二、四种线程池说明

Java里线程池的顶级接口是Executor，但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程池的执行工具。真正意义的线程池接口是ExecutorService。

1.newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池. 如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程。当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对钱程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM） 能够创建的最大线程大小。

2.newFixedThreadPool

创建固定大小的线程池，每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到是大值就会保持不变。如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

3.newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

4.newScheduledThreadPool

创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool= Executors.newScheduledThreadPool(3); scheduledThreadPool.schedule(newRunnable(){ 
	@Override 
	public void run() { 
		System.out.println("延迟三秒"); 
	} 
}, 3, TimeUnit.SECONDS); 
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(newRunnable(){ 
	@Override 
	public void run() {
		System.out.println("延迟1秒后每三秒执行一次"); 
	} 
},1,3,TimeUnit.SECONDS);

三、线程的生命周期（状态）

如上图，当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，它要经过新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直"霸占"着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换。

1.新建状态（NEW）

当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由JVM为其分配内存，并初始化其成员变量的值

2.就绪状态（RUNNABLE）

当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于就绪状态。Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，等待调度运行。

3.运行状态（RUNNING）

如果处于就绪状态的线程获得了CPU，开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态。

4.阻塞状态（BLOCKED）

阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了cpu 使用权，也即让出了cpu timeslice，暂时停止运行。直到线程进入可运行(runnable)状态，才有机会再次获得cpu timeslice 转到运行(running)状态。阻塞的情况分三种：
等待阻塞（o.wait->等待对列）： 运行(running)的线程执行o.wait()方法，JVM会把该线程放入等待队列(waitting queue)中。 同步阻塞(lock->锁池)： 运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池(lock pool)中。
其他阻塞(sleep/join) ： 运行(running)的线程执行Thread.sleep(long ms)或t.join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。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，线程重新转入可运行(runnable)状态。

5.死亡状态

线程会以下面三种方式结束，结束后就是死亡状态。
正常结束： run()或call()方法执行完成，线程正常结束。
异常结束 ： 线程抛出一个未捕获的Exception或Error。
调用stop ： 直接调用该线程的stop()方法来结束该线程—该方法通常容易导致死锁，不推荐使用。

四、终止线程的四种方式

1.正常运行结束

程序运行结束，线程自动结束。

2.使用退出标志退出线程

一般run()方法执行完，线程就会正常结束，然而，常常有些线程是伺服线程。它们需要长时间的运行，只有在外部某些条件满足的情况下，才能关闭这些线程。使用一个变量来控制循环，例如：最直接的方法就是设一个boolean类型的标志，并通过设置这个标志为true或false来控制while循环是否退出，代码示例：

public class ThreadSafe extends Thread { 
	public volatile boolean exit = false; 
	public void run() { 
		while (!exit){ 
			//do something 
		} 
	} 
}

定义了一个退出标志exit，当exit为true时，while循环退出，exit的默认值为false.在定义exit时，使用了一个Java关键字volatile，这个关键字的目的是使exit同步，也就是说在同一时刻只能由一个线程来修改exit的值。

3.Interrupt方法结束线程

使用interrupt()方法来中断线程有两种情况：
线程处于阻塞状态： 如使用了sleep,同步锁的wait,socket中的receiver,accept等方法时，会使线程处于阻塞状态。当调用线程的interrupt()方法时，会抛出InterruptException异常。阻塞中的那个方法抛出这个异常，通过代码捕获该异常，然后break跳出循环状态，从而让我们有机会结束这个线程的执行。通常很多人认为只要调用interrupt方法线程就会结束，实际上是错的， 一定要先捕获InterruptedException异常之后通过break来跳出循环，才能正常结束run方法。
线程未处于阻塞状态： 使用isInterrupted()判断线程的中断标志来退出循环。当使用interrupt()方法时，中断标志就会置true，和使用自定义的标志来控制循环是一样的道理。

public class ThreadSafe extends Thread {
	public void run() {
		while (!isInterrupted()){ //非阻塞过程中通过判断中断标志来退出
			try{
				Thread.sleep(5*1000);//阻塞过程捕获中断异常来退出
			}catch(InterruptedException e){
				e.printStackTrace();
				break;//捕获到异常之后，执行break跳出循环
			}
		}
	}
}

4.stop方法终止线程（线程不安全）

程序中可以直接使用thread.stop()来强行终止线程，但是stop方法是很危险的，就象突然关闭计算机电源，而不是按正常程序关机一样，可能会产生不可预料的结果，不安全主要是：thread.stop()调用之后，创建子线程的线程就会抛出ThreadDeatherror的错误，并且会释放子线程所持有的所有锁。一般任何进行加锁的代码块，都是为了保护数据的一致性，如果在调用thread.stop()后导致了该线程所持有的所有锁的突然释放(不可控制)，那么被保护数据就有可能呈现不一致性，其他线程在使用这些被破坏的数据时，有可能导致一些很奇怪的应用程序错误。因此，并不推荐使用stop方法来终止线程。

五、锁的种类

1.公平锁/非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。
对于Java ReentrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
对于synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。

2.可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。对于Java ReentrantLock而言, 其名字是Reentrant Lock即是重新进入锁。对于synchronized而言，也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}
synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点，如果不是可重入锁的话，setB可能不会被当前线程执行，可能造成死锁。

3. 独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有；共享锁是指该锁可被多个线程所持有。
对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写、写读 、写写的过程是互斥的。独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。对于synchronized而言，当然是独享锁。

4.互斥锁/读写锁

上面说到的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock；读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock。

5.乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指看待并发同步的角度。

悲观锁： 总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现就是悲观锁。
乐观锁： 顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS(Compare and Swap 比较并交换)实现的
。

6.分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。当需要put元素的时候，并不是对整个HashMap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。但是，在统计size的时候，可就是获取HashMap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。
分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

7.偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。
轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。
重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。

8.自旋锁

在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。

六、CAS和AQS

1.CAS的概念和特性

CAS（Compare And Swap/Set）比较并交换，CAS算法的过程是这样：它包含3个参数(V,E,N)。V表示要更新的变量(内存值)，E表示预期值(旧的)，N表示新值。当且仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
CAS操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

2.原子包 java.util.concurrent.atomic（锁自旋）

JDK1.5的原子包：java.util.concurrent.atomic这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。 相对于对于synchronized这种阻塞算法，CAS是非阻塞算法的一种常见实现。由于一般CPU切换时间比CPU指令集操作更加长， 所以J.U.C在性能上有了很大的提升。如下代码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { 
	private volatile int value; 
	public final int get() { 
		return value; 
	} 
	public final int getAndIncrement() { 
		for (;;) { 
			//CAS自旋，一直尝试，直达成功 
			int current = get(); 
			int next = current + 1; 
			if (compareAndSet(current, next)) 
				return current; 
		} 
	} 
	public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 
		return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); 
	} 
}

getAndIncrement采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

cmpxchg
/*
	accoumulator = AL,AX,or EAX,depending on whether a byte, word, 
	or dubleword comparison is being  performed
*/
if(accounmulator == Destination){//更新的变量和旧得变量预期值是否相等
	ZF = 1;	//设置跳转标识
	Destination = Source;//原始值设置到目标里面去
}else{
	ZF = 0;//不设置值
	accoumulator = Destination;
}

3.ABA问题

CAS会导致“ABA问题”。CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。 比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另一个线程two也从内存中取出A，并且two进行了一些操作变成了B，然后two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。 部分乐观锁的实现是通过版本号（version）的方式来解决ABA问题，乐观锁每次在执行数据的修改操作时，都会带上一个版本号，一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行+1操作，否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现ABA问题，因为版本号只会增加不会减少。

七、线程的上下文切换

1.上下文切换的概念：

在多任务处理系统中，作业数通常大于CPU数。为了让用户觉得这些任务在同时进行，CPU给每个任务分配一定时间，把当前任务状态保存下来，当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。之后CPU可以回过头再处理之前被挂起任务。上下文切换就是这样一个过程，它允许CPU记录并恢复各种正在运行程序的状态，使它能够完成切换操作。在这个过程中，CPU会停止处理当前运行的程序，并保存当前程序运行的具体位置以便之后继续运行。

2.上下文切换的步骤

在切换过程中，正在执行的进程的状态必须以某种方式存储起来，这样在未来才能被恢复。这里说的进程状态包括该进程正在使用的所有寄存器（尤其是程序计数器），和一些必要的操作系统数据。保存进程状态的数据结构叫做“进程控制块”（PCB,process control block）；
PCB通常是系统内存占用区中的一个连续存区，它存放着操作系统用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息，它使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序成为一个能独立运行的基本单位或一个能与其他进程并发执行的进程。

上下文切换的具体步骤是（假设当前进程是进程A，要切换到的下一个进程是进程B）：

1. 保存进程A的状态（寄存器和操作系统数据）；
2. 更新PCB中的信息，对进程A的“运行态”做出相应更改；
3. 将进程A的PCB放入相关状态的队列；
4. 将进程B的PCB信息改为“运行态”，并执行进程B；
5. B执行完后，从队列中取出进程A的PCB，恢复进程A被切换时的上下文，继续执行A。

线程分为用户级线程和内核级线程。同一进程中的用户级线程切换的时候，只需要保存用户寄存器的内容，程序计数器，栈指针，不需要模式切换。但是这样会导致线程阻塞和无法利用多处理器。而同一进程中的内核级线程切换的时候，就克服了这两个缺点，但是除了保存上下文，还要进行模式切换。

线程切换和进程切换的步骤也不同。进程的上下文切换分为两步：1.切换页目录以使用新的地址空间；2.切换内核栈和硬件上下文。对于linux来说，线程和进程的最大区别就在于地址空间。对于线程切换，第1步是不需要做的，第2是进程和线程切换都要做的。所以明显是进程切换代价大。线程上下文切换和进程上下文切换一个最主要的区别是线程的切换虚拟内存空间依然是相同的，但是进程切换是不同的。这两种上下文切换的处理都是通过操作系统内核来完成的。内核的这种切换过程伴随的最显著的性能损耗是将寄存器中的内容切换出。

3.引起上下文切换的原因

1. 当前执行任务的时间片用完之后，系统CPU正常调度下一个任务；
2. 当前执行任务碰到IO阻塞，调度器将此任务挂起，继续下一任务；
3. 多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到锁资源，被调度器挂起，继续下一任务；
4. 用户代码挂起当前任务，让出CPU时间；
5. 硬件中断；