Java多线程与并发基础

CS-LogN思维导图：记录专业基础 面试题

开源地址：https://github.com/FISHers6/CS-LogN

多线程与并发基础

实现多线程

面试题1：有几种实现线程的方法，分别是什么

• 1.继承Thread类，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去执行 run()方法

• 2.实现 Runnable 接口，重写run()函数，作为参数放到Thread类构造函数中作为target属性，运行start()方法

• 线程池创建线程、Callable本质还是使Runnable创建，Callable是父辈类继承了Runnable，线程池需传入参数

面试题2：实现Runnable方法好，还是继承Thread类好

• 实现Runnable接口更好

  • 1.单一继承原则，如果继承了Thread，就不能继承其它类了，限制了可扩展性
  • 2.Thread类每次只能创建一个独立的线程，损耗大，而Runnable能利用线程池工具来创建线程
  • 3.从代码架构上看，run内容应该与Trhead代码解耦

面试题3：一个线程两次调用start方法会出现什么情况(考察源码)

• 第二次会出现异常，从start源码上和线程生命周期上分析，一个线程start后，
  
  改变了threadState状态字；而第二次再start每次会先检查这个状态不是0就报异常

面试题4：既然start方法会调用run方法，为什么我们还是要用start方法，而不是直接调用run方法呢(考察源码)

• 因为start后线程才会经过完整的线程生命周期，start调用native start0，虚拟机执startThread，thread_entry入口中调用Thread的run，

面试题5：start和run有什么区别

• run()方法:只是普通的方法，调用run普通方法，可以重复多次调用
• start()方法，会启动一个线程，使得虚拟机去调用Runnable对象的run()方法，不能多次启动同一个线程

面试题6：start方法如何调用run方法的(考察源码和JVM)

• start方法调用native start0，JVM虚拟机执行startThread，在thread_entry中调用Thread的run方法

面试题7：如何正确停止线程

• 使用interrupt中断通知，而不是强制，中断通知后会让被停止线程去决定何时停止，即把主动权交给需要被中断的线程

线程的生命周期

面试题1：Java线程有哪几种状态 说说生命周期

• 六种生命状态(若time_waiting也算一种)

  • New，已创建但还尚未启动的新线程
  • Runable，可运行状态；对应操作系统的两种状态“就绪态” 和 “运行态”(分配到CPU)
  • Blocked，阻塞状态；请求synchronized锁未分配到时阻塞，直到获取到monitor锁再进入Runnable
  • Waiting，等待状态
  • Timed waiting，限期等待
  • Terminated终止状态

• 线程的生命周期 状态转换图

Thread和Object类中

与线程相关的重要方法

面试题1：实现两个线程交替打印奇数偶数

面试题2：手写生产者消费者设计模式，为什么用该模式

• 主要是为了解耦，匹配不同的能力

面试题3：wait后发生了什么，为什么需要在同步代码内才能使用

• 从jvm的源码实现上看，wait后，线程让出占有的cpu并释放同步资源锁；把自己加入到等待池，以后不会再主动参与cpu的竞争，除非被其它notify命中
• 为了确保线程安全；另外wait会释放资源，所以肯定要先拿到这个锁，能进入同步代码块已经拿到了锁

面试题4：为什么线程通信的方法wait，notify和notifyAll放在Object类，而sleep定义在Thread类里 (考察对象锁)

• 与对象的锁有关，对象锁绑定在对象的对象头中，且放在Object里，使每个线程都可以持有多个对象的锁

面试题5：wait方法是属于Object对象的，那调用Thread.wait会怎么样

• 线程死的时候会自己notifyAll，释放掉所有的持有自己对象的锁。这个机制是实现很多同步方法的基础。如果调用Thrad.wait，干扰了我们设计的同步业务流程

面试题6：如何选择notify还是notifyAll

• 优先选用notifyAll，唤醒所有线程；除非业务需要每次只唤醒一个线程的

面试题7：notfiy后发生的操作，notifyAll之后所有的线程都会再次抢夺锁，如果某线程抢夺失败怎么办？

• notify后，让waiterSet等待池中的一个线程与entry_List锁池一级活跃线程一起竞争CPU
• 抢夺锁失败后会继续待在原锁池或原等待池，等待竞争CPU的调度

面试题8：sleep方法与notify/wait方法的异同点

• 相同点：线程都会进入waiting状态，都可以响应中断
• 不同点：1.所属类不同；2.wait/notify必须用在同步方法中，且会释放锁；3.sleep可以指定时间

面试题9：join方法后父线程进入什么状态

• waiting状态，join内部调用wait，子线程结束后自动调用notifyAll唤醒(jvm:exit函数)

线程安全与性能

面试题1：守护线程和普通线程的区别

• 守护线程是服务于普通线程的，并且不会影响到jvm的退出

面试题2：什么是线程安全

• 不管业务中遇到怎样的多个线程访问某对象或某方法的情况，而在编程这个业务逻辑的时候，都不需要再额外做任何额外的处理（也就是可以像单线程编程一样），程序也可以正常运行（不会因为多线程而出错），就可以称为线程安全

面试题3：有哪些线程不安全的情况，什么原因导致的

• 1.数据争用、同时操作，如数据读写由于同时写，非原子性操作导致运行结果错误，a++
• 2.存在竞争，顺序不当，如死锁、活锁、饥饿

面试题4：什么是多线程的上下文切换，及导致的后果

• 进程线程切换要保存所需要的CPU运行环境，如寄存器、栈、全局变量等资源
• 在频繁的io以及抢锁的时候，会导致密集的上下文切换，多线程切换时，由于缓存和上下文的切换会带来性能问题

面试题5：多线程导致的开销有哪些

• 1.上下文切换开销，如保存缓存(cache、快表等)的开销

• 2.同步协作的开销(java内存模型)

  • 为了数据的正确性，同步手段往往会使用禁止编译器优化(如指令重排序优化、锁粗化等)，性能变差
  • 使CPU内的缓存失效(比如volatile可见性让自己线程的缓存失效后，必须使用主存来查看数据)

Java内存模型

面试题1：Java的代码如何一步步转化，最终被CPU执行的

• 1. 最开始，我们编写的Java代码，是*.java文件

1. 在编译（javac命令）后，从刚才的.java文件会变出一个新的Java字节码文件.class
2. JVM会执行刚才生成的字节码文件（*.class），并把字节码文件转化为机器指令
3. 机器指令可以直接在CPU上执运行，也就是最终的程序执行

• JVM实现会带来不同的“翻译”，不同的CPU平台的机器指令又千差万别，无法保证并发安全的效果一致

面试题2：单例模式的作用和适用场景

• 单例模式：只获取一次资源，全程序通用，节省内存和计算；保证多线程计算结果正确；方便管理；
  
  比如日期工具类只需要一个实例就可以，无需多个示例

面试题3：单例模式的写法，考察(重排序、单例和高并发的关系)

• 饿汉式（静态常量、静态代码块）

  • 原理1：static静态常量在类加载的时候就初始化完成了，且由jvm保证线程安全，保证了变量唯一
  • 原理2：静态代码块中实例化和静态常量类似；放在静态代码块里初始化，类加载时完成；
  • 特征：简单，但没有懒加载(需要时再加载)

• 懒汉式（加synchronized锁）

  • 对初始化的方法加synchronized锁达到线程安全的目的，但效率低，多线程下变成了同步
  • 懒汉式取名：用到的时候才去加载

• 双重检查

  • 代码实现

    • 属性加volatile，两次if判断NULL值，第二次前加类锁

  • 优点

    • 线程安全；延迟加载；效率高

  • 为什么用双重而不用单层

    • 从线程安全方面、效率方面讲

• 静态内部类

  • 需要理解静态内部类的优点，懒汉式加载，jvm加载顺序

• 枚举

  • 代码实现简单

    • public enum Singleton{
      
      INSTANCE;
      
      public void method(){}
      
      }

  • 保证了线程安全

    • 枚举是一个特殊的类，经过反编译查看，枚举最终被编译成一个final的类，继承了枚举父类。各个实例通过static定义，本质就是一个静态的对象，所有第一次使用的时候采取加载(懒加载)

  • 避免反序列化破坏单例

    • 避免了：比如用反射就绕过了构造方法，反序列化出多个实例

面试题4：单例模式各种写法分别适用的场合

• 1.最好的方法是枚举，因枚举被编译成final类，用static定义静态对象，懒加载。既保证了线程安全又避免了反序列化破坏单例
• 2.如果程序一开始要加载的资源太多，考虑到启动速度，就应该使用懒加载
• 3.如果是对象的创建需要配置文件(一开始要加载其它资源)，就不适合用饿汉式

面试题5：饿汉式单例的缺点

• 没有懒加载(初始化时全部加载出)，初始化开销大

面试题6：懒汉式单例的缺点

• 虽然用到的时候才去加载，但是由于加锁，性能低

面试题7：单例模式的双重检查写法为什么要用double-check

• 从代码实现出发，保证线程安全、延迟加载效率高

面试题8：为什么双重检查要用volatile

• 1.保证instance的可见性

  • 类初始化分成3条指令，重排序带来NPE空虚指针问题，加volatile防止重排序

• 2.防止初始化指令重排序

面试题9：讲一讲什么是Java的内存模型

• 1.是一组规范，需要JVM实现遵守这个规范，以便实现安全的多线程程序
  
  2.volatile、synchronized、Lock等同步工具和关键字实现原理都用到了JMM
  
  3.重排序、内存可见性、原子性

面试题10：什么是happens-before，规则有哪些

• 解决可见性问题的：在时间上，动作A发生在动作B之前，B保证能看见A，这就是happens-before

• 规则

  • 1 单线程按代码顺序规则；2 锁操作（synchronized和Lock）；3volatile变量；4.JUC工具类的Happens-Before原则
  • 5.线程启动时子线程启动前能看到主线程run的所有内容；6.线程join主线程一定要等待子线程完成后再去做后面操作
  • 7.传递性 8.中断检测 9.对象构造方法的最后一行指令 happens-before 于 finalize() 方法的第一行指令

面试题11：讲一讲volatile关键字

• volatile是一种同步机制，比synchronized或者Lock相关类更轻量，因为使用volatile并不会发生上下文切换等开销很大的行为。而加锁时对象锁会阻塞开销大。
• 可见性，如果一个变量别修饰成volatile，那么JVM就知道了这个变量可能会被并发修改；
• 不能保证原子性

面试题12：volatile的适用场合及作用

• 作用

  • 1.保证可见性 2.禁止指令重排序(单例双重锁时)

• 适合场景

  • 适用场合1：boolean flag，布尔具有原子性，可再由volatile保证其可见性
  • 适用场合2：作为刷新之前变量的触发器
  • 但不适合非原子性操作如：a++等

面试题13：volatile和synchronized的异同

• 1 性能开销方面: 锁开销更大，volatile无加锁阻塞开销
  
  2 作用方面:volatile只能保证可见性，锁既能保证可见性，又能保证原子性

面试题14：什么是内存可见性问题，为什么存在

• 多线程下，一个线程修改共享数据后，其它线程能否感知到修改了数据的线程的变化
• CPU有多级缓存，导致读的数据过期，各处理机有独自的缓存未及时更新时，与主存内容不一致

面试题15：主内存和本地内存的关系是什么

• Java 作为高级语言，屏蔽了CPU cache等底层细节，用 JMM 定义了一套读写内存数据的规范，虽然我们不再需要关心一级缓存和二级缓存的问题，但是，JMM 抽象了主内存和本地内存的概念。
• 线程拥有自己的本地内存，并共享主内存的数据；线程读写共享数据也是通过本地内存交换的，所以才导致了可见性问题。

面试题16：什么是原子操作，Java的原子操作有哪些

• 原子操作

  • 一系列的操作，要么全部执行成功，要么全部不执行，不会出现执行一半的情况，是不可分割的。

• 1）除long和double之外的基本类型（int, byte, boolean, short, char, float）的"赋值操作"

• 2）所有"引用reference的赋值操作"，不管是 32 位的机器还是 64 位的机器

• 3）java.concurrent.Atomic.* 包中所有类的原子操作

面试题17：long 和 double 的原子性你了解吗

• 在32位上的JVM上，long 和 double的操作不是原子的，但是在64位的JVM上是原子的。
• 在32位机器上一次只能读写32位；而浮点数、long型有8字节64位；要分高32位和低32位两条指令分开写入，类似汇编语言浮点数乘法分高低位寄存器；64位不用分两次读写了

面试题18：生成对象的过程是不是原子操作

• 不是，对象生成会生成分配空间、初始化、赋值，三条指令，有可能会被重排序，导致空指针

面试题19：区分JVM内存结构、Java内存模型 、Java对象模型

• Java内存模型，和Java的并发编程有关

  • 详见面试题9

• JVM内存结构，和Java虚拟机的运行时区域(堆栈)有关

  • 堆区、方法区(存放常量池 引用 类信息)
    
    栈区、本地方法栈、程序计数器

• Java对象模型，和Java对象在虚拟机中的表现形式有关

  • 是Java对象自身的存储模型，在方法区中Kclass类信息(虚函数表)，在堆中存放new实例，在线程栈中存放引用，OOP-Klass Model

面试题20：什么是重排序

• 指令实际执行顺序和代码在java文件中的顺序不一致
• 重排序的好处：提高处理速度，包括编译器优化、指令重排序(局部性原理)

死锁

面试题1：写一个必然死锁的例子

• synchronized嵌套，构成请求循环

面试题2：生产中什么场景下会发生死锁

• 并发中多线程互不相让：当两个（或更多）线程（或进程）相互持有对方所需要的资源，又不主动释放，导致所有人都无法继续前进，导致程序陷入无尽的阻塞，这就是死锁。

面试题3：发生死锁必须满足哪些条件

• 1.互斥
• 2.请求和保持
• 3.不可剥夺
• 4.存储循环等待链

面试题4：如何用工具定位死锁

• 1.jstack命令在程序发生死锁后，进行堆栈分析出死锁线程
• 2.ThreadMXbean 程序运行中发现死锁，一旦发现死锁可以让用户去打日志

面试题5：有哪些解决死锁问题的策略

• 1.死锁语法，不让死锁发生

  • 破坏死锁的四个条件之一；如：哲学家换手、转账换序

• 2.死锁避免

  • 银行家算法、系统安全序列

• 3.死锁检查与恢复

  • 适用资源请求分配图，一段时间内检查死锁，有死锁就恢复策略，采用恢复策略；
  • 恢复方法：进程终止 、资源剥夺

• 4.鸵鸟策略(忽略死锁)

  • 先忽略，后期再让人工恢复

面试题6：死锁避免策略和检测与恢复策略的主要思路是什么

• 死锁语法

  • 破坏死锁的四大条件之一

• 死锁避免

  • 找到安全序列，银行家算法

• 死锁检测与恢复

  • 资源请求分配图

面试题7：讲一讲经典的哲学家就餐问题，如何解决死锁

• 什么时候死锁

  • 哲学家各拿起自己左手边的筷子，又去请求拿右手边筷子循环请求时而阻塞

• 如何解决死锁

  • 1.一次两只筷子，形成原子性操作
  • 2.只允许4个人拿有筷子

面试题8：实际开发中如何避免死锁

• 设置超时时间
• 多使用并发类而不是自己设计锁
• 尽量降低锁的使用粒度：用不同的锁而不是一个锁，锁的范围越小越好
• 避免锁的嵌套：MustDeadLock类
• 分配资源前先看能不能收回来：银行家算法
• 尽量不要几个功能用同一把锁：专锁专用
• 给你的线程起个有意义的名字：debug和排查时事半功倍，框架和JDK都遵守这个最佳实践

面试题9：什么是活跃性问题？活锁、饥饿和死锁有什么区别

• 活锁

  • 虽然线程并没有阻塞，也始终在运行（所以叫做“活”锁，线程是“活”的），但是程序却得不到进展，因为线程始终互相谦让，重复做同样的事

  • 工程中的活锁实例：消息队列，消息如果处理失败，就放在队列开头重试，没阻塞程序无法继续

  • 如何解决活锁问题

    • 加入随机因素，以太网的指数退避算法

• 饥饿

  • 当线程需要某些资源（例如CPU），但是却始终得不到，可能原因是饥饿线程的优先级过低