Java并发编程面试基础问题和答案

Java并发编程

1.Synchronized用过吗，其原理是什么？

这是一道Java面试中几乎百分百会问到的问题，因为没有任何写过并发程序的开发者会没听说或者没接触过Synchronized。Synchronized是由JVM实现的一种实现互斥同步的一种方式，如果你查看被Synchronized修饰过的程序块编译后的字节码，会发现，被Synchronized修饰过的程序块，在编译前后被编译器生成了 monitorenter和monitorexit 两个字节码指令。这两个指令是什么意思呢？在虚拟机执行到monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁：如果这个对象没有锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，把锁的计数器+1；当执行monitorexit指令时将锁计数器-1；当计数器为0时，锁就被释放了。如果获取对象失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。 Java中Synchronize通过在对象头设置标记，达到了获取锁和释放锁的目的。

2.为什么说Synchronized是非公平锁？

非公平主要表现在获取锁的行为上，并非是按照申请锁的时间前后给等待线程分配锁的，每当锁被释放后，任何一个线程都有机会竞争到锁，这样做的目的是为了提高执行性能，缺点是可能会产生 线程饥饿 现象。

3.为什么说Synchronized是一个悲观锁？乐观锁的实现原理又是什么？什么是CAS，它有什么特性？

Synchronized显然是一个悲观锁，因为它的 并发策略是悲观 的：不管是否会产生竞争，任何的数据操作都必须要加锁、用户态内核态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等操作。随着 硬件指令集的发展 ，我们可以使用 基于冲突检测的乐观并发策略 。先进行操作，如果没有其他线程征用数据，那操作就成功了；如果共享数据有征用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施。 这种乐观的并发策略的许多实现不需要线程挂起，所以被称为非阻塞同步。乐观锁的核心算法是CAS（CompareandSwap，比较并交换）， 它涉及到三个操作数： 内存值、预期值、新值。 当且仅当预期值和内存值相等时才将内存值修改为新值。这样处理的逻辑是，首先检查某块内存的值是否跟之前我读取时的一样，如不一样则表示期间此内存值已经被别的线程更改过， 舍弃本次操作，否则说明期间没有其他线程对此内存值操作，可以把新值设置给此块内存。 CAS具有原子性，它的原子性由CPU硬件指令实现保证，即使用JNI调用Native方法调用由C++编写的硬件级别指令，JDK中提供了 Unsafe 类执行这些操作。

4.请尽可能详尽地对比下Synchronized和ReentrantLock的异同。

ReentrantLock是Lock的实现类，是一个互斥的同步锁。从功能角度， ReentrantLock比Synchronized的同步操作更精细（因为可以像 普通对象 一样使用）， 甚至实现Synchronized没有的高级功能，如：

等待可中断： 当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，对处理执行时间非常长的同步块很有用。

带超时的获取锁尝试： 在指定的时间范围内获取锁，如果时间到了仍然无法获取则返回。

可以判断是否有线程在排队等待获取锁。

可以响应中断请求： 与Synchronized不同，当获取到锁的线程被中断时，能够响应中断，中断异常将会被抛出，同时锁会被释放。

可以实现公平锁。 从锁释放角度，Synchronized在JVM层面上实现的，不但可以通过一些监控工具监控Synchronized的锁定，而且在代码执行出现异常 时，JVM会自动释放锁定；但是使用Lock则不行，L ock是通过代码实现的，要保证锁定一定会被释放，就必须将unLock()放到finally{}中。 从性能角度，Synchronized早期实现比较低效，对比ReentrantLock，大多数场景性能都相差较大。但是在Java6中对其进行了非常多的改进，在竞争不激烈时，Synchronized的性能要优于ReetrantLock；在高竞争情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态。

5.谈谈ReadWriteLock和StampedLock。

虽然ReentrantLock和Synchronized简单实用，但是行为上有一定局限性， 要么不占，要么独占。 实际应用场景中，有时候不需要大量竞争的写操作，而是以并发读取为主，为了 进一步优化并发操作的粒度 ，Java提供了读写锁。读写锁基于的原理是多个读操作不需要互斥，如果读锁试图锁定时，写锁是被某个线程持有，读锁将无法获得，而只好等待对方操作结束，这样就可以自动保证不会读取到有争议的数据。 ReadWriteLock代表了一对锁 ，下面是一个基于读写锁实现的数据结构，当数据量较大，并发读多、并发写少的时候，能够比纯同步版本凸显出优势：

读写锁看起来比Synchronized的粒度似乎细一些，但在实际应用中，其表现也并不尽如人意，主要还是 因为相对比较大的开销。 所以， JDK在后期引入了StampedLock ，在提供类似读写锁的同时，还支持优化读模式。优化读基于假设：大多数情况下读操作并不会和写操作冲突，其逻辑是先试着修改，然后通过validate方法确认是否进入了写模式，如果没有进入，就成功避免了开销；如果进入，则尝试获取读锁。

6.如何让Java的线程彼此同步？ 你了 解过哪些同步器？ 请分 别介绍下。

JUC中的同步器三个主要的成员： CountDownLatch 、 CyclicBarrier 和 Semaphore ，通过它们可以方便地实现很多线程之间协作的功能。

CountDownLatch叫倒计数，允许一个或多个线程等待某些操作完成。

看几个场景：

跑步比赛，裁判需要等到所有的运动员（“其他线程”）都跑到终点（达到目标），才能去算排名和颁奖。

模拟并发，我需要启动100个线程去同时访问某一个地址，我希望它们能同时并发，而不是一个一个的去执行。用法：CountDownLatch构造方法指明计数数量，被等待线程调用

countDown将计数器减1，等待线程使用await进行线程等待。

一个简单的例子：

CyclicBarrier叫循环栅栏，它实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行，而且当所有等待线程被释放后，CyclicBarrier可以被重复使用。 CyclicBarrier的典型应用场景是用来等待并发线程结束。CyclicBarrier的主要方法是await()，await()每被调用一次，计数便会减少1，并阻塞住当前线程。当计数减至0时，阻塞解除，所有在此CyclicBarrier上面阻塞的线程开始运行。在这之后，如果再次调用await()，计数就又会变成N-1，新一轮重新开始，这便是Cyclic的含义所在。CyclicBarrier.await()带有返回值，用来表示当前线程是第几个到达这个Barrier的线程。

举例说明如下：

Semaphore，Java版本的信号量实现，用于控制同时访问的线程个数，来达到限制通用资源访问的目的， 其原理是通过acquire()获取一个许可，如果没有就等待，而release()释放一个许可。

如果Semaphore的数值被初始化为1，那么一个线程就可以通过acquire进入互斥状态，本质上和互斥锁是非常相似的。但是区别也非常明显，比如互斥锁是有持有者的，而对于Semaphore这种计数器结构，虽然有类似功能，但其实不存在真正意义的持有者，除非我们进行扩展包装。

7.线程池中的线程是怎么创建的？ 是一开始就随着线程池的启动创建好的吗？

显然不是的。 线程池默认初始化后不启动Worker， 等待有请求时才启动。每当我们调用execute()方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：

如果正在运行的线程数量小于corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；

如果正在运行的线程数量大于或等于corePoolSize，那么将这个任务放入队列；

如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务；

如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常RejectExecutionException。

当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断。 如果当前运行的线程数大于corePoolSize，那么这个线程就被停掉。 所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到corePoolSize的大小。

8.提到可以通过配置不同参数创建出不同的线程池，那么Java中默认实现好的线程池又有哪些呢？请比较它们的异同。

8.1.SingleThreadExecutor线程池

这个线程池只有一个核心线程在工作， 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来替代它。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。

corePoolSize：1，只有一个核心线程在工作。

maximumPoolSize：1。

keepAliveTime：0L。

workQueue：newLinkedBlockingQueue<Runnable>()，其缓冲队列是无界的。

8.2.FixedThreadPool线程池

FixedThreadPool是 固定大小的线程池，只有核心线程。 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最大值就会保持不变，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。FixedThreadPool多数针对一些很稳定很固定的正规并发线程，多用于服务器。

corePoolSize：nThreads

maximumPoolSize：nThreads

keepAliveTime：0L

workQueue：newLinkedBlockingQueue<Runnable>()，其缓冲队列是无界的。

8.3.CachedThreadPool线程池

CachedThreadPool是无界线程池，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）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。 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。 SynchronousQueue是一个是缓冲区为1的阻塞队列。缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务，因此在一些面向 连接的daemon型SERVER中用得不多。 但对于生存期短的异步任务，它是Executor的首选。

corePoolSize： 0

maximumPoolSize： Integer.MAX_VALUE

keepAliveTime： 60L

workQueue：newSynchronousQueue<Runnable>()，一个是缓冲区为1的阻塞队列。 8.4.ScheduledThreadPool线程池

ScheduledThreadPool：核心线程池固定，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。 创建一个周期性执行任务的线程池。如果闲置，非核心线程池会在DEFAULT_KEEPALIVEMILLIS时间内回收。

corePoolSize：corePoolSize

maximumPoolSize：Integer.MAX_VALUE

keepAliveTime：DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS

workQueue：newDelayedWorkQueue()

9.如何在Java线程池中提交线程？

线程池最常用的提交任务的方法有两种：

1.execute()： ExecutorService.execute方法接收一个Runable实例，它用来执行一个任务：

2.submit()： ExecutorService.submit()方法返回的是Future对象。可以用isDone()来查询Future是否已经完成，当任务完成时，它具有一个结果，可以调用get()来获取结果。也可以不用isDone()进行检查就直接调用get()，在这种情况下，get()将阻塞，直至结果准备就绪。

10.请谈谈volatile有什么特点，为什么它能保证变量对所有线程的可见性？

关键字volatile是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制【不保证原子性】。当一个变量被定义成volatile之后，具备两种特性：

1.保证此变量对所有线程的可见性。 当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程是可以立即得知的。而普通变量做不到这一点。

2.禁止指令重排序优化【保证有序性】。 普通变量仅仅能保证在该方法执行过程中，得到正确结果，但是不保证程序代码的执行顺序。

Java的内存模型定义了8种内存间操作：

lock和unlock

lock-把一个变量标识为一条线程独占的状态。

unlock-把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放之后的变量才能被其他线程锁定。

read和write

read-把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存，以便load。

write-把store操作从工作内存得到的变量的值，放入主内存的变量中。

load和store

load-把read操作从主内存得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

store-把工作内存的变量值传送到主内存，以便write。

use和assgin

use-把工作内存变量值传递给执行引擎。

assign-将执行引擎值传递给工作内存变量值。

volatile的实现基于这8种内存间操作，保证了一个线程对某个volatile变量的修改，一定会被另一个线程看见，即保证了可见性。

11.请对比下volatile对比Synchronized的异同。

Synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

12.ThreadLocal和Synchonized

ThreadLocal和Synchonized 都用于解决多线程并发访问，防止任务在共享资源上产生冲突【值得注意的是， ThreadLocal 本质并没有访问共享资源，只是 ThreadLocal 对象只有一个而已】。但是ThreadLocal与Synchronized有本质的区别。Synchronized用于实现同步机制，是利用锁的机制使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问，是一种“以时间换空间”的方式。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，根除了对变量的共享，是一种“以空间换时间”的方式。

13.请谈谈ThreadLocal是怎么解决并发安全的？

ThreadLocal这是Java提供的一种保存线程私有信息的机制，因为其在整个线程生命周期内有效，所以可以方便地在一个线程关联的不同业务模块之间传递信息，比如事务ID、Cookie等上下文相关信息。ThreadLocal为每一个线程维护变量的副本，把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，其实现原理是，在ThreadLocal类中有一个Map（ThreadLocalMap），用于存储每一个线程的变量的副本，每一个Thread对象维护着

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals。

threadLocals 由ThreadLocal#createMap时创建。

【END】

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