面试题-Java多线程基础、实现工具和可见性保证（新更新版）

前言

Java多线程部分的题目，是我根据Java Guide的面试突击版本V3.0再整理出来的，其中，我选择了一些比较重要的问题，并重新做出相应回答，并添加了一些比较重要的问题，希望对大家起到一定的帮助。

系列文章：

面试题-Java基础

面试题-Java集合

Java多线程

多线程基础

1. 何为线程，何为进程？

   • 进程是程序的一次执行过程
   • 线程是比进程更小的执行单位，一个进程中可以创建多个线程

2. 说说并发与并⾏的区别?

   • 并发：同一时间段内，多个程序都在执行
   • 并行：单位时间段内，多个程序同时执行

3. 为什么要使⽤多线程呢?

   • 单核时代，多线程主要是为了提高cpu和IO设备的综合利用率；
   • 多核时代，主要是为了提高CPU的利用率。

4. 编写多线程程序可能会存在的一些问题（重要）

   • 安全性问题：由于编译器、硬件和运行时的机制是不可预测的，假如没有正确的同步机制，可能会产生安全性问题。
     • 原子性：一组操作未必如我们所想的是原子的，中间可能被其他线程干扰。
     • 可见性：线程对共享变量的修改，未必对其他线程是可见的。
   • 活跃性问题：某个操作无法继续执行下去时，就会出现活跃性问题。比如：死锁饥饿活锁等等
   • 性能问题：上下文切换开销；同步机制带来的其他开销等等

5. 线程生命周期中有哪些状态？（核查线程问题时，了解每种状态代表的含义是基础）

   • NEW：一个线程被创建出来时，start()被调用之前，状态为NEW
   • Runnable：调用start后，线程状态变为Runnable
   • Running：上CPU执行中，外部不可见
     • Ready状态：排队等待执行，外部不可见
     • IO wait：等待IO操作，外部不可见
   • Blocked：线程等待获取锁
   • Waiting:
     • TIMED_WAITING:有超时时间的等待
     • WAITING：没有超时时间的等地啊
   • Terminated：执行完毕，进入Terminated状态

1. 线程的中断机制：如何正确的干涉线程的执行过程

   首先要明确，中断并不是停止，中断可以理解为一种通知机制。

   线程在不同的状态时，对中断的响应也不同。

   1. Runnable状态：线程处于Runnable状态时，调用interrupt方法只会设置线程的中断标记位为true，需要线程在执行代码中自己判断中断标记位来得到通知。

   注：判断中断标记位的方法有两种：

   • isInterrupted：实例方法
   • interrupted：静态方法，会清空标记位

   1. Blocked状态：线程处于Blocked状态时，调用interrupt方法只会设置线程的中断标记位，线程什么都不会做，会继续Blocked。

   2. Timed_wating或Waiting：线程处于Waiting相关状态时，调用interrupt方法会设置线程的中断标记位，并且线程内部会自动监测这个中断状态，当监测到为true，会抛出InterruptedException，清空标记位，线程会重新变为Runnable状态

   总结：中断线程对Blocked方法无效，不会立即响应，线程会一直阻塞。已经在运行中的线程需要自己监测中断标记位；在Waiting状态中的线程可以自动监测标记位，通过抛出异常中断。

   特殊情况：

   1. 当线程处于等待IO（IO wait状态）时，调用interrupt方法会设置标记位

      • 如果Channel是可中断的，会抛出ClosedByInterruptException异常
      • 如果是不可中断的，比如selector选择器，会从阻塞中立即返回

      附，讨论具体方法代码的文章：[java 中断线程的几种方式 interrupt()]

2. 什么是上下⽂切换?

   当前任务执行完CPU的时间片切换到下一个任务时，会提前保存自己的运行状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个状态及时恢复现场。

   上下文切换通常是计算密集型的，如果线程数远大于cpu数量，cpu会耗费大量的时间在上下文切换这个操作上，影响实际执行用户代码的时间比例。

3. 什么是线程死锁?如何避免死锁?

   • 问题一：线程A持有资源2，线程B持有资源1，他们同时都在等待对方的资源，而一直阻塞下去。
   • 问题二：产生死锁需要同时具备下面四个条件，我们只需要破坏任意的其中一个，就可以防止死锁。
     • 互斥：资源任一时刻只能由一个线程占有；破坏方案：无法破坏
     • 请求和保持：一个线程获取不到资源阻塞时，对已经获取的资源保持不放；破坏方案：线程一次性申请全部需要的资源
     • 不剥夺：其他线程不能剥夺已经被占有的资源；破坏方案：当线程申请另外的资源阻塞时，对已经申请到的资源及时释放。
     • 循环等待：线程形成了首尾相接的循环等待条件；破坏方案：按顺序申请资源

4. 说说 sleep() ⽅法和 wait() ⽅法区别和共同点?

   • 共同点：两个方法都可以暂停线程的执行

   • 不同点：

     • sleep不释放锁，等到超时时间自动苏醒
     • wait会释放锁，如果不带超时时间，需要其他线程调用notify相关方法唤醒；如果带超时时间自动苏醒

5. 为什么我们调⽤ start() ⽅法时会执⾏ run() ⽅法，为什么我们不能直接调⽤run() ⽅法？

   new一个线程之后，线程进入了NEW状态，调用start方法后会做一些准备工作然后准备上CPU执行时间片，如果直接调用run方法，和普通方法的执行就一样了，是调用者线程去执行run方法中的逻辑。

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Java中的保证线程安全性的相关工具

为了解决多线程编程中的线程安全性问题，Java提供了多种工具供我们选择。

synchronized

可以解决什么问题？

synchronized可以保证原子性和可见性。

如何使用

synchronized可以使用在实例方法，静态方法和代码块中。

• 实例方法锁定的是this
• 静态方法锁定的是当前的Class对象。
• 代码块中可以自定义一个对象。

JVM对synchronized的性能优化

1. 偏向锁

   • 机制：如果一直是同一个线程反复申请锁，那么可以直接进入代码块，不需要做其他同步操作。

   • 适用场景：某一个线程会反复进入同步代码块，就省略了加锁操作。

2. 轻量级锁

   • 机制：当申请偏向锁失败时（有其他线程在占用），会升级，申请轻量级锁
   • 适用场景：多个线程交替执行同步代码块内容，并且有较短时间的重叠（如果没有重叠，就会一直保持偏向锁，如果重叠较长，就会导致锁升级）

3. 重量级锁

   • 机制：申请轻量级锁失败，会升级为重量级锁，首先会先自旋若干个空循环，如果循环之后还是无法获取锁，只能等待操作系统挂起
   • 适用场景：多个线程同时执行同步代码块，并且每个线程占用锁时间短（自旋一阵大部分可以成功申请到锁）。

4. 锁消除

   • 机制：JIT会通过逃逸分析自动去除不可能出现竞争的锁

一些问题整理

1. 讲⼀下 synchronized 关键字的底层原理？
   • 如果是同步代码块，会使用两个JVM指令，monitorenter和monitorexit
   • 如果是修饰方法，没有使用上面这两个指令，而是使用了ACC_Synchronized标识，JVM通过这个标识可以在执行方法前进行相关的同步操作。

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Reentrant Lock

可以解决什么问题？

和synchronized一样，Reentrant Lock也可以保证原子性和可见性。

Reentrant Lock 和synchronized的区别

首先要明确，synchronized是在JVM层面实现的，而Reentrant Lock是在Java代码层面实现的。

Reentrant Lock的性能在jdk1.5之前是要远远优于synchronized，但是Jdk1.6版本虚拟机对synchronized做了优化（就是上面讲过的偏向锁等等），使得他们的性能几乎差不多了。

既然如此，为什么还需要使用Reentrant Lock呢？因为Reentrant Lock和synchronized相比，提供了更丰富的功能。

可中断锁等待

在前面多线程基础部分，提到过中断。当线程处于BLOCKED状态时（仅指使用synchronized关键字），interrupt函数只能设置中断标记位为true，但是线程依旧保持在阻塞状态。如果使用Reentrant Lock，在interrupt调用后，可以抛出InterruptedException响应通知，并且线程从阻塞状态中返回。

锁申请支持设置超时时间

可以使用tryLock或者待超时参数的tryLock，成功会返回true，失败返回false。不会像synchronized，如果一直申请不到锁，就会持续阻塞。

公平锁

synchronized的实现是非公平的，当锁可用时，会从等待队列中随机选择一个线程。而Reentrant Lock可以设置公平模式，保证不会出现饥饿现象。

可等待不同条件

synchronized的wait方法的实现机制是，把该线程放入锁对象的等待队列中，这个队列只有一个。如果需要区分等待的条件，就无法实现了。Reentrant Lock可以配合Condition使用，区分不同的等待条件，在需要等待的条件上wait就可以。

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Volatile

可以解决什么问题？

Volatile只能保证可见性。

可见性保证的实现原理-JMM内存模型

上面提到了锁和volatile工具都可以保证可见性，那么可见性究竟是如何实现的呢？

主内存和线程的本地内存以及通信过程

JMM定义，线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程在自己的本地内存中持有一个共享变量的副本。主内存不仅仅是普通意义上的内存，而是一个抽象的概念，主要包括了编译器缓存、寄存器等硬件相关的优化。当两个线程想要通信，线程A需要把自己本地内存中的共享变量刷新到主内存中，线程B从主内存中获取共享变量的值。示意图如下：

总结：JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。

JMM具体是如何控制主内存和本地内存的交互呢？

我们知道，无法保证可见性的根源源于重排序，在现代PC中，存在着两种重排序。

1. 编译器重排序
2. 处理器重排序

那么要保证可靠性，禁止重排序就可以了。

对于编译器重排序，JMM的编译器重排序规则会直接禁止编译器重排序。对于处理器重排序，JMM会在某些指令处，插入内存屏障来禁止处理器重排序。

Happens-before-更友好的方式来描述操作之间的内存可见性

假如没有Happens-before原则，那么作为程序员的我们，需要去详细了解JMM的编译器重排序规则和内存屏障相关的细节，Happens-before原则，给程序员提供了一个更加友好易懂的视图，方便理解。

具体来说，如果A存在对于B的Happens-before关系，那么A操作一定对B操作可见。下面是几个比较重要的明细原则：

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens- before 于该线程中的任意后续操作。
• 监视器锁规则：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。
• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens- before 于任意后续对这个volatile域的读。
• 传递性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

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ThreadLocal

1. ThreadLocal主要解决什么问题？

   ThreadLocal可以实现每个线程都有自己的专属本地变量，实现线程的私有数据，从而保证了线程安全性。

2. ThreadLocal的原理？

   每一个Thread中都有一个threadLocals引用，这个引用指向的是一个ThreadLocalMap类，这个map简单理解就是一个定制化的HashMap。创建一个threadLocal并调用set方法时，实际会获取当前线程的ThreadLocalMap，然后把这个threadLocal作为key存储到map中。

   简单来说，每个线程都有一个Map，这个map里面存储的是以 ThreadLocal为key，当前ThreadLocal的泛型类型为数据类型的value值。真实使用的时候，我们会有很多的ThreadLocal分别存储不同类型的值。

   这里会有一个内存泄漏的问题，因为作为key的threadLocal是弱引用，每次垃圾回收都会回收他们，所以会产生很多key为null的value，jdk实现中，在getset等方法中会强制扫描为null的key，并清除他们。

3. 项目中如何使用的？

   web项目中，会使用ThreadLocal保存当前线程登陆后用户的相关信息，方便后续获取用户的id等信息。