【Java并发编程篇】一文搞定那些难缠的并发面试题

Object 的 wait()和notify() 方法

Object 对象中的 wait()和notify()是用来实现实现等待 / 通知模式。其中等待状态和阻塞状态是不同的。等待状态的线程可以通过notify() 方法唤醒并继续执行，而阻塞状态的线程则是等待获取新的锁。

  • 调用 wait()方法后，当前线程会进入等待状态，直到其他线程调用notify()或notifyAll() 来唤醒
  • 调用 notify() 方法后，可以唤醒正在等待的单一线程。

并发特性 - 原子性、有序性、可见性

  • 原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
  • 可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
  • 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行，不进行指令重排列。

synchronized 实现原理？

synchronized 可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个进程可以访问，同时它还可以保证共享变量的内存可见性。

Java 中每一个对象都可以作为锁，这是 synchronized 实现同步的基础：

  • 普通同步方法，锁是当前实例对象
  • 静态同步方法，锁是当前类的 class 对象
  • 同步方法块，锁是括号里面的对象

同步代码块：monitorenter 指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，JVM 需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个 Monitor 与之相关联，当且一个 Monitor 被持有之后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 Monitor 所有权，即尝试获取对象的锁。

同步方法：synchronized 方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如：invokevirtual、areturn指令，在 VM 字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在 Class 文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized 标志位置设置为 1，表示该方法是同步方法，并使用调用该方法的对象或该方法所属的 Class 在 JVM 的内部对象表示 Klass 作为锁对象。

synchronized 是重量级锁，在 JDK1.6 中进行优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

volatile 的实现原理？

volatile 是轻量级的锁，它不会引起线程上下文的切换和调度。

  • volatile可见性：对一个volatile 的读，总可以看到对这个变量最终的写。
  • volatile 原子性：volatile对单个读 / 写具有原子性（32 位 Long、Double），但是复合操作除外，例如i++ 。
  • JVM 底层采用“内存屏障”来实现 volatile 语义，防止指令重排序。

volatile 经常用于两个场景：状态标记变量、Double Check 。

Java 内存模型（JMM）

JMM 规定了线程的工作内存和主内存的交互关系，以及线程之间的可见性和程序的执行顺序。

  • 一方面，要为程序员提供足够强的内存可见性保证。
  • 另一方面，对编译器和处理器的限制要尽可能地放松。JMM 对程序员屏蔽了 CPU 以及 OS 内存的使用问题，能够使程序在不同的 CPU 和 OS 内存上都能够达到预期的效果。

Java 采用内存共享的模式来实现线程之间的通信。编译器和处理器可以对程序进行重排序优化处理，但是需要遵守一些规则，不能随意重排序。

在并发编程模式中，势必会遇到上面三个概念：原子性、可见性、有序性。

通过 volatile、synchronized、final、concurrent 包等 实现。

有关队列 AQS 队列同步器

AQS 是构建锁或者其他同步组件的基础框架（如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore 等）, 包含了实现同步器的细节（获取同步状态、FIFO 同步队列）。AQS 的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器，并实现它的抽象方法来管理同步状态。

维护一个同步状态 state。当 state > 0时，表示已经获取了锁；当state = 0 时，表示释放了锁。

AQS 通过内置的 FIFO 同步队列来完成资源获取线程的排队工作：

  • 如果当前线程获取同步状态失败（锁）时，AQS 则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程。
  • 当同步状态释放时，则会把节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

AQS 内部维护的是CLH 双向同步队列

锁的特性

  1. 可重入锁：指的是在一个线程中可以多次获取同一把锁。 ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁。
  2. 可中断锁：顾名思义，就是可以相应中断的锁。synchronized 就不是可中断锁，而 Lock 是可中断锁。
  3. 公平锁：即尽量以请求锁的顺序来获取锁。synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

ReentrantLock 锁

ReentrantLock，可重入锁，是一种递归无阻塞的同步机制。它可以等同于 synchronized的使用，但是 ReentrantLock 提供了比synchronized 更强大、灵活的锁机制，可以减少死锁发生的概率。

  • ReentrantLock 实现 Lock 接口，基于内部的 Sync 实现。
  • Sync 实现 AQS ，提供了 FairSync 和 NonFairSync 两种实现。

Condition

Condition 和 Lock 一起使用以实现等待/通知模式，通过 await()和singnal() 来阻塞和唤醒线程。

Condition 是一种广义上的条件队列。它为线程提供了一种更为灵活的等待 / 通知模式，线程在调用 await 方法后执行挂起操作，直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition 必须要配合 Lock 一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个 Condition 的实例必须与一个 Lock 绑定，因此 Condition 一般都是作为 Lock 的内部实现。

private Lock mLock = new ReentrantLock();
private Condition mNotFull = mLock.newCondition();
private Condition mNotEmpty = mLock.newCondition();

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
//获取读锁
rwl.readLock();
//获取写锁
rwl.writeLock();

读写锁维护着一对锁，一个读锁和一个写锁。通过分离读锁和写锁，使得并发性比一般的排他锁有了较大的提升：

  • 在同一时间，可以允许多个读线程同时访问。
  • 但是，在写线程访问时，所有读线程和写线程都会被阻塞。

读写锁的主要特性：

  • 公平性：支持公平性和非公平性。
  • 重入性：支持重入。读写锁最多支持 65535 个递归写入锁和 65535 个递归读取锁。
  • 锁降级：遵循获取写锁，再获取读锁，最后释放写锁的次序，如此写锁能够降级成为读锁。

ReentrantReadWriteLock 实现 ReadWriteLock 接口，可重入的读写锁实现类。

在同步状态上，为了表示两把锁，将一个 32 位整型分为高 16 位和低 16 位，分别表示读和写的状态。

Synchronized 和 Lock 的区别

  • Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现；
  • synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock() 去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁；
  • Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，- 等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
  • 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
  • Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。

更深的：

  • 与 synchronized 相比，ReentrantLock 提供了更多，更加全面的功能，具备更强的扩展性。例如：时间锁等候，可中断锁等候，锁投票。
  • ReentrantLock 还提供了条件 Condition ，对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活，所以在多个条件变量和高度竞争锁的地方，ReentrantLock 更加适合。
  • ReentrantLock 提供了可轮询的锁请求。它会尝试着去获取锁，如果成功则继续，否则可以等到下次运行时处理，而 synchronized则一旦进入锁请求要么成功要么阻塞，所以相比synchronized 而言，ReentrantLock 不容易产生死锁。
  • ReentrantLock 支持更加灵活的同步代码块，但是使用 synchronized时，只能在同一个synchronized块结构中获取和释放。注意，ReentrantLock 的锁释放一定要在finally 中处理，否则可能会产生严重的后果。
  • ReentrantLock 支持中断处理，且性能较 synchronized 会好些。

Java 中线程同步的方式

  • sychronized 同步方法或代码块
  • volatile
  • Lock
  • ThreadLocal
  • 阻塞队列（LinkedBlockingQueue）
  • 使用原子变量（java.util.concurrent.atomic）
  • 变量的不可变性

CAS 是一种什么样的同步机制？多线程下为什么不使用 int 而使用 AtomicInteger？

Compare And Swap，比较交换。可以看到 synchronized 可以保证代码块原子性，很多时候会引起性能问题，volatile也是个不错的选择，但是volatile 不能保证原子性，只能在某些场合下使用。所以可以通过 CAS 来进行同步，保证原子性。

Concurrent 包下的类，发现无论是 ReentrantLock 内部的 AQS，还是各种 Atomic 开头的原子类，内部都应用到了 CAS。

在 CAS 中有三个参数：内存值 V、旧的预期值 A、要更新的值 B ，当且仅当内存值 V 的值等于旧的预期值 A 时，才会将内存值 V 的值修改为 B，否则什么都不干。

CAS 可以保证一次的读-改-写操作是原子操作。

在多线程环境下，int 类型的自增操作不是原子的，线程不安全，可以使用 AtomicInteger 代替。

Unsafe 是 CAS 的核心类，Java 无法直接访问底层操作系统，而是通过本地 native` 方法来访问。不过尽管如此，JVM 还是开了一个后门：Unsafe ，它提供了硬件级别的原子操作。

HashMap 是不是线程安全？如何体现？如何变得安全？

由于添加元素到 map 中去时，数据量大产生扩容操作，多线程会导致 HashMap 的 node 链表形成环状的数据结构产生死循环。所以 HashMap 是线程不安全的（JDK1.7）。

如何变的安全：

  • Hashtable：通过 synchronized 来保证线程安全的，独占锁，悲观策略。吞吐量较低，性能较为低下
  • SynchronizedHashMap ：通过 Collections.synchronizedMap() 方法对 HashMap 进行包装，返回一个 SynchronizedHashMap 对象，在源码中 SynchronizedHashMap 也是用过 synchronized 来保证线程安全的。但是实现方式和 Hashtable 略有不同（前者是 synchronized 方法，后者是通过 synchronized 对互斥变量加锁实现）
  • ConcurrentHashMap：JUC 中的线程安全容器，高效并发。ConcurrentHashMap 的 key、value 都不允许为 null。

ConcurrentHashMap 的实现方式？

ConcurrentHashMap 的实现方式和 Hashtable 不同，不采用独占锁的形式，更高效，其中在 jdk1.7 和 jdk1.8 中实现的方式也略有不同。

Jdk1.7 中采用分段锁和 HashEntry 使锁更加细化。ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术，其中 Segment 继承于 ReentrantLock。不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理，理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量）的线程并发。

Jdk1.8 利用 CAS+Synchronized 来保证并发更新的安全，当然底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。

  • table 中存放 Node 节点数据，默认 Node 数据大小为 16，扩容大小总是 2^N。
  • 为了保证可见性，Node 节点中的 val 和 next 节点都用 volatile 修饰。
  • 当链表长度大于 8 时，会转换成红黑树，节点会被包装成 TreeNode放在TreeBin 中。
  • put()：1. 计算键所对应的 hash 值；2. 如果哈希表还未初始化，调用 initTable() 初始化，否则在 table 中找到 index 位置，并通过 CAS 添加节点。如果链表节点数目超过 8，则将链表转换为红黑树。如果节点总数超过，则进行扩容操作。
  • get()：无需加锁，直接根据 key 的 hash 值遍历 node。

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的区别？ 

CyclicBarrier 它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (Common Barrier Point)。每个线程调用 #await() 方法，告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。当所有线程都到达了屏障，结束阻塞，所有线程可继续执行后续逻辑。---递增到公共屏障点

CountDownLatch 能够使一个线程在等待另外一些线程完成各自工作之后，再继续执行。使用一个计数器进行实现。计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后，计数器的值就会减一。当计数器的值为 0 时，表示所有的线程都已经完成了任务，然后在 CountDownLatch 上等待的线程就可以恢复执行任务。---递减直至为0

两者的区别：

  • CountDownLatch 的作用是允许 1 或 N 个线程等待其他线程完成执行；而 CyclicBarrier 则是允许 N 个线程相互等待。
  • CountDownLatch 的计数器无法被重置；CyclicBarrier 的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的 barrier 。

Semaphore 是一个控制访问多个共享资源的计数器，和 CountDownLatch 一样，其本质上是一个“共享锁”。一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。

怎么控制线程，尽可能减少上下文切换？

减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

  • 无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以使用一些方法来避免使用锁。如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
  • CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
  • 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态。
  • 协程。在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

什么是乐观锁和悲观锁？

synchronized是独占锁属于悲观锁，它是在假设一定会发生冲突的，那么加锁恰好有用，除此之外，还有乐观锁，乐观锁的含义就是假设没有发生冲突，那么我正好可以进行某项操作，如果要是发生冲突呢，那我就重试直到成功，乐观锁最常见的就是CAS。

阻塞队列

阻塞队列实现了 BlockingQueue 接口，并且有多组处理方法。

抛出异常：add(e) 、remove()、element()
返回特殊值：offer(e) 、pool()、peek()
阻塞：put(e) 、take()

JDK 8 中提供了七个阻塞队列可供使用：

  • ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
  • LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
  • PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
  • DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
  • SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
  • LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
  • LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

ArrayBlockingQueue，一个由数组实现的有界阻塞队列。该队列采用 FIFO 的原则对元素进行排序添加的。内部使用可重入锁 ReentrantLock + Condition 来完成多线程环境的并发操作。

线程池

线程池有五种状态：RUNNING, SHUTDOWN, STOP, TIDYING, TERMINATED。

  • RUNNING：接收并处理任务。
  • SHUTDOWN：不接收但处理现有任务。
  • STOP：不接收也不处理任务，同时终端当前处理的任务。
  • TIDYING：所有任务终止，线程池会变为 TIDYING 状态。当线程池变为 TIDYING 状态时，会执行钩子函数 terminated()。
  • TERMINATED：线程池彻底终止的状态。

内部变量ctl定义为 AtomicInteger ，记录了“线程池中的任务数量”和“线程池的状态”两个信息。共 32 位，其中高 3 位表示”线程池状态”，低 29 位表示”线程池中的任务数量”。

线程池创建参数

  • corePoolSize：线程池中核心线程的数量。当提交一个任务时，线程池会新建一个线程来执行任务，直到当前线程数等于 corePoolSize。如果调用了线程池的 prestartAllCoreThreads() 方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

  • maximumPoolSize：线程池中允许的最大线程数。线程池的阻塞队列满了之后，如果还有任务提交，如果当前的线程数小于 maximumPoolSize，则会新建线程来执行任务。注意，如果使用的是无界队列，该参数也就没有什么效果了。

  • keepAliveTime：线程空闲的时间。线程的创建和销毁是需要代价的。线程执行完任务后不会立即销毁，而是继续存活一段时间：keepAliveTime。默认情况下，该参数只有在线程数大于 corePoolSize 时才会生效（即非核心线程）。

  • unit：keepAliveTime 的单位。TimeUnit

  • workQueue：用来保存等待执行的任务的阻塞队列，等待的任务必须实现 Runnable 接口。我们可以选择如下几种：

    • ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，FIFO。
    • LinkedBlockingQueue：基于链表结构的有界阻塞队列，FIFO。
    • SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，每个插入操作都必须等待一个移出操作，反之亦然。
    • PriorityBlockingQueue：具有优先界别的阻塞队列。

  • threadFactory： 用于设置创建线程的工厂。该对象可以通过 Executors.defaultThreadFactory()。他是通过 newThread() 方法提供创建线程的功能，newThread() 方法创建的线程都是“非守护线程”而且“线程优先级都是 Thread.NORM_PRIORITY”。

  • handler：RejectedExecutionHandler，线程池的拒绝策略。所谓拒绝策略，是指将任务添加到线程池中时，线程池拒绝该任务所采取的相应策略。当向线程池中提交任务时，如果此时线程池中的线程已经饱和了，而且阻塞队列也已经满了，则线程池会选择一种拒绝策略来处理该任务。

线程池提供了四种拒绝策略

  • AbortPolicy：直接抛出异常，默认策略；
  • CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务；
  • DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务；
  • DiscardPolicy：直接丢弃任务；

当然我们也可以实现自己的拒绝策略，例如记录日志等等，实现 RejectedExecutionHandler 接口即可。

当添加新的任务到线程池时

  • 线程数量未达到 corePoolSize，则新建一个线程（核心线程）执行任务
  • 线程数量达到了 corePoolSize，则将任务移入队列等待
  • 队列已满，新建线程（非核心线程）执行任务
  • 队列已满，总线程数又达到了 maximumPoolSize，就会由 handler 的拒绝策略来处理

线程池可通过 Executor 框架来进行创建

FixedThreadPool

corePoolSize 和 maximumPoolSize 都设置为创建 FixedThreadPool 时指定的参数 nThreads，意味着当线程池满时且阻塞队列也已经满时，如果继续提交任务，则会直接走拒绝策略，该线程池不会再新建线程来执行任务，而是直接走拒绝策略。FixedThreadPool 使用的是默认的拒绝策略，即 AbortPolicy，则直接抛出异常。

但是 workQueue 使用了无界的 LinkedBlockingQueue, 那么当任务数量超过 corePoolSize 后，全都会添加到队列中而不执行拒绝策略。

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor 把 corePool 和 maximumPoolSize 均设置为 1，和 FixedThreadPool 一样使用的是无界队列 LinkedBlockingQueue, 所以带来的影响和 FixedThreadPool 一样。

CachedThreadPool

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池。

当任务提交时就会创建线程去执行，执行完成后线程会空闲60s，之后就会销毁。但是如果主线程提交任务的速度远远大于 CachedThreadPool 的处理速度，则 CachedThreadPool 会不断地创建新线程来执行任务，这样有可能会导致系统耗尽 CPU 和内存资源，所以在使用该线程池是，一定要注意控制并发的任务数，否则创建大量的线程可能导致严重的性能问题。

为什么要使用线程池？

  • 创建/销毁线程伴随着系统开销，过于频繁的创建/销毁线程，会很大程度上影响处理效率。线程池缓存线程，可用已有的闲置线程来执行新任务(keepAliveTime)
  • 线程并发数量过多，抢占系统资源从而导致阻塞。运用线程池能有效的控制线程最大并发数，避免以上的问题。
  • 对线程进行一些简单的管理(延时执行、定时循环执行的策略等)

生产者消费者问题

用 Object 的 wait()和notify() 实现，也可用 ReentrantLock 和 Condition 来完成。或者直接使用阻塞队列。

 

参考：

 

posted @ 2021-12-19 11:59  残城碎梦  阅读(37)  评论(0)  编辑  收藏  举报