前言

Java多線程部分的題目，是我根據(jù)Java Guide的面試突擊版本V3.0再整理出來的，其中，我選擇了一些比較重要的問題，并重新做出相應(yīng)回答，并添加了一些比較重要的問題，希望對(duì)大家起到一定的幫助。

系列文章：

面試題-Java基礎(chǔ)

面試題-Java集合

Java多線程

多線程基礎(chǔ)

1. 編寫多線程程序可能會(huì)存在的一些問題（重要）

• 安全性問題：由于編譯器、硬件和運(yùn)行時(shí)的機(jī)制是不可預(yù)測(cè)的，假如沒有正確的同步機(jī)制，可能會(huì)產(chǎn)生安全性問題。
  • 原子性：一組操作未必如我們所想的是原子的，中間可能被其他線程干擾。
  • 可見性：線程對(duì)共享變量的修改，未必對(duì)其他線程是可見的。
• 活躍性問題：某個(gè)操作無法繼續(xù)執(zhí)行下去時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)活躍性問題。比如：死鎖饑餓活鎖等等
• 性能問題：上下文切換開銷；同步機(jī)制帶來的其他開銷等等

2. 線程生命周期中有哪些狀態(tài)？（核查線程問題時(shí)，了解每種狀態(tài)代表的含義是基礎(chǔ)）
   1. NEW：一個(gè)線程被創(chuàng)建出來時(shí)，start()被調(diào)用之前，狀態(tài)為NEW
   2. Runnable：調(diào)用start后，線程狀態(tài)變?yōu)镽unnable
      1. Running：上CPU執(zhí)行中，外部不可見
      2. Ready狀態(tài)：排隊(duì)等待執(zhí)行，外部不可見
      3. IO wait：等待IO操作，外部不可見
   3. Blocked：線程等待獲取鎖
   4. Waiting：
      1. TIMED_WAITING:有超時(shí)時(shí)間的等待
      2. WAITING：沒有超時(shí)時(shí)間的等地啊
   5. Terminated：執(zhí)行完畢，進(jìn)入Terminated狀態(tài)

線程狀態(tài).png

3. 線程的中斷機(jī)制：如何正確的干涉線程的執(zhí)行過程

   首先要明確，中斷并不是停止，中斷可以理解為一種通知機(jī)制。

   線程在不同的狀態(tài)時(shí)，對(duì)中斷的響應(yīng)也不同。

   • Runnable狀態(tài)：線程處于Runnable狀態(tài)時(shí)，調(diào)用interrupt方法只會(huì)設(shè)置線程的中斷標(biāo)記位為true，需要線程在執(zhí)行代碼中自己判斷中斷標(biāo)記位來得到通知。
     • 注：判斷中斷標(biāo)記位的方法有兩種：
       • isInterrupted：實(shí)例方法
       • interrupted：靜態(tài)方法，會(huì)清空標(biāo)記位
   • Blocked狀態(tài)：線程處于Blocked狀態(tài)時(shí)，調(diào)用interrupt方法只會(huì)設(shè)置線程的中斷標(biāo)記位，線程什么都不會(huì)做，會(huì)繼續(xù)Blocked。
   • Timed_wating或Waiting：線程處于Waiting相關(guān)狀態(tài)時(shí)，調(diào)用interrupt方法會(huì)設(shè)置線程的中斷標(biāo)記位，并且線程內(nèi)部會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)這個(gè)中斷狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到為true，會(huì)拋出InterruptedException，清空標(biāo)記位，線程會(huì)重新變?yōu)镽unnable狀態(tài)

   總結(jié)：中斷線程對(duì)Blocked方法無效，不會(huì)立即響應(yīng)，線程會(huì)一直阻塞。已經(jīng)在運(yùn)行中的線程需要自己監(jiān)測(cè)中斷標(biāo)記位；在Waiting狀態(tài)中的線程可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)標(biāo)記位，通過拋出異常中斷。

   特殊情況：

   當(dāng)線程處于等待IO（IO wait狀態(tài)）時(shí)，調(diào)用interrupt方法會(huì)設(shè)置標(biāo)記位

   • 如果Channel是可中斷的，會(huì)拋出ClosedByInterruptException異常
   • 如果是不可中斷的，比如selector選擇器，會(huì)從阻塞中立即返回

   附，討論具體方法代碼的文章：[java 中斷線程的幾種方式 interrupt()]

Java中的保證線程安全性的相關(guān)模型與工具

為了解決多線程編程中的線程安全性問題，Java提供了JMM內(nèi)存模型和多種工具供我們選擇。

synchronized關(guān)鍵字

可以解決什么問題？

synchronized關(guān)鍵字，可以保證原子性和可見性。

如何使用

synchronized關(guān)鍵字，可以使用在實(shí)例方法，靜態(tài)方法和代碼塊中。

• 實(shí)例方法鎖定的是this
• 靜態(tài)方法鎖定的是當(dāng)前的Class對(duì)象。
• 代碼塊中可以自定義一個(gè)對(duì)象。

JVM對(duì)synchronized的性能優(yōu)化

1. 偏向鎖

   • 機(jī)制：如果一直是同一個(gè)線程反復(fù)申請(qǐng)鎖，那么可以直接進(jìn)入代碼塊，不需要做其他同步操作。

   • 適用場(chǎng)景：某一個(gè)線程會(huì)反復(fù)進(jìn)入同步代碼塊，就省略了加鎖操作。

2. 輕量級(jí)鎖

   • 機(jī)制：當(dāng)申請(qǐng)偏向鎖失敗時(shí)（有其他線程在占用），會(huì)升級(jí)，申請(qǐng)輕量級(jí)鎖
   • 適用場(chǎng)景：多個(gè)線程交替執(zhí)行同步代碼塊內(nèi)容，并且有較短時(shí)間的重疊（如果沒有重疊，就會(huì)一直保持偏向鎖，如果重疊較長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致鎖升級(jí)）

3. 重量級(jí)鎖

   • 機(jī)制：申請(qǐng)輕量級(jí)鎖失敗，會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖，首先會(huì)先自旋若干個(gè)空循環(huán)，如果循環(huán)之后還是無法獲取鎖，只能等待操作系統(tǒng)掛起
   • 適用場(chǎng)景：多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行同步代碼塊，并且每個(gè)線程占用鎖時(shí)間短（自旋一陣大部分可以成功申請(qǐng)到鎖）。

4. 鎖消除

   • 機(jī)制：JIT會(huì)通過逃逸分析自動(dòng)去除不可能出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的鎖

Reentrant Lock

可以解決什么問題？

和synchronized一樣，Reentrant Lock也可以保證原子性和可見性。

Reentrant Lock 和synchronized的區(qū)別

首先要明確，synchronized是在JVM層面實(shí)現(xiàn)的，而Reentrant Lock是在Java代碼層面實(shí)現(xiàn)的。

Reentrant Lock的性能在jdk1.5之前是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于synchronized，但是Jdk1.6版本虛擬機(jī)對(duì)synchronized做了優(yōu)化（就是上面講過的偏向鎖等等），使得他們的性能幾乎差不多了。

既然如此，為什么還需要使用Reentrant Lock呢？因?yàn)镽eentrant Lock和synchronized相比，提供了更豐富的功能。

可中斷鎖等待

在前面多線程基礎(chǔ)部分，提到過中斷。當(dāng)線程處于BLOCKED狀態(tài)時(shí)（僅指使用synchronized關(guān)鍵字），interrupt函數(shù)只能設(shè)置中斷標(biāo)記位為true，但是線程依舊保持在阻塞狀態(tài)。如果使用Reentrant Lock，在interrupt調(diào)用后，可以拋出InterruptedException響應(yīng)通知，并且線程從阻塞狀態(tài)中返回。

鎖申請(qǐng)支持設(shè)置超時(shí)時(shí)間

可以使用tryLock或者待超時(shí)參數(shù)的tryLock，成功會(huì)返回true，失敗返回false。不會(huì)像synchronized，如果一直申請(qǐng)不到鎖，就會(huì)持續(xù)阻塞。

公平鎖

synchronized的實(shí)現(xiàn)是非公平的，當(dāng)鎖可用時(shí)，會(huì)從等待隊(duì)列中隨機(jī)選擇一個(gè)線程。而Reentrant Lock可以設(shè)置公平模式，保證不會(huì)出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象。

可等待不同條件

synchronized的wait方法的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是，把該線程放入鎖對(duì)象的等待隊(duì)列中，這個(gè)隊(duì)列只有一個(gè)。如果需要區(qū)分等待的條件，就無法實(shí)現(xiàn)了。Reentrant Lock可以配合Condition使用，區(qū)分不同的等待條件，在需要等待的條件上wait就可以。

Volatile

可以解決什么問題？

Volatile只能保證可見性。

Volatile

可以解決什么問題？

Volatile只能保證可見性。

可見性保證的實(shí)現(xiàn)原理

上面提到了鎖和volatile工具都可以保證可見性，那么可見性究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

JMM內(nèi)存模型

主內(nèi)存和線程的本地內(nèi)存以及通信過程

JMM定義，線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線程在自己的本地內(nèi)存中持有一個(gè)共享變量的副本。主內(nèi)存不僅僅是普通意義上的內(nèi)存，而是一個(gè)抽象的概念，主要包括了編譯器緩存、寄存器等硬件相關(guān)的優(yōu)化。當(dāng)兩個(gè)線程想要通信，線程A需要把自己本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中，線程B從主內(nèi)存中獲取共享變量的值。示意圖如下：

內(nèi)存模型.png

總結(jié)：JMM通過控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證。

JMM具體是如何控制主內(nèi)存和本地內(nèi)存的交互呢？

我們知道，無法保證可見性的根源源于重排序，在現(xiàn)代PC中，存在著兩種重排序。

1. 編譯器重排序

2. 處理器重排序

那么要保證可靠性，禁止重排序就可以了。

對(duì)于編譯器重排序，JMM的編譯器重排序規(guī)則會(huì)直接禁止編譯器重排序。對(duì)于處理器重排序，JMM會(huì)在某些指令處，插入內(nèi)存屏障來禁止處理器重排序。

Happens-before-更友好的方式來描述操作之間的內(nèi)存可見性

假如沒有Happens-before原則，那么作為程序員的我們，需要去詳細(xì)了解JMM的編譯器重排序規(guī)則和內(nèi)存屏障相關(guān)的細(xì)節(jié)，Happens-before原則，給程序員提供了一個(gè)更加友好易懂的視圖，方便理解。

具體來說，如果A存在對(duì)于B的Happens-before關(guān)系，那么A操作一定對(duì)B操作可見。下面是幾個(gè)比較重要的明細(xì)原則：

• 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作。

• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對(duì)這個(gè)監(jiān)視器鎖的加鎖。

• volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫，happens- before 于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。

• 傳遞性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。