前言
個(gè)人珍藏的80道Java多線程/并發(fā)經(jīng)典面試題细卧,因?yàn)槠L,現(xiàn)在先給出1-10的答案解析哈,后面一起完善,并且上傳github哈~
「公眾號:撿田螺的小男孩」
1. synchronized的實(shí)現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化仓手?
synchronized的實(shí)現(xiàn)原理
- synchronized作用于「方法」或者「代碼塊」,保證被修飾的代碼在同一時(shí)間只能被一個(gè)線程訪問玻淑。
- synchronized修飾代碼塊時(shí)嗽冒,JVM采用「monitorenter、monitorexit」兩個(gè)指令來實(shí)現(xiàn)同步
- synchronized修飾同步方法時(shí)补履,JVM采用「ACC_SYNCHRONIZED」標(biāo)記符來實(shí)現(xiàn)同步
- monitorenter添坊、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是「基于Monitor實(shí)現(xiàn)」的
- 實(shí)例對象里有對象頭,對象頭里面有Mark Word箫锤,Mark Word指針指向了「monitor」
- Monitor其實(shí)是一種「同步工具」贬蛙,也可以說是一種「同步機(jī)制」。
- 在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中谚攒,Monitor是由「ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)」的阳准。ObjectMonitor體現(xiàn)出Monitor的工作原理~
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">ObjectMonitor() { _header = NULL; _count = 0; // 記錄線程獲取鎖的次數(shù) _waiters = 0, _recursions = 0; //鎖的重入次數(shù) _object = NULL; _owner = NULL; // 指向持有ObjectMonitor對象的線程 _WaitSet = NULL; // 處于wait狀態(tài)的線程,會(huì)被加入到_WaitSet _WaitSetLock = 0 ; _Responsible = NULL ; _succ = NULL ; _cxq = NULL ; FreeNext = NULL ; _EntryList = NULL ; // 處于等待鎖block狀態(tài)的線程五鲫,會(huì)被加入到該列表 _SpinFreq = 0 ; _SpinClock = 0 ; OwnerIsThread = 0 ; }
</pre>
鎖優(yōu)化
在討論鎖優(yōu)化前,先看看JAVA對象頭(32位JVM)中Mark Word的結(jié)構(gòu)圖吧~
Mark Word存儲對象自身的運(yùn)行數(shù)據(jù)塑崖,如「哈希碼七冲、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志规婆、偏向時(shí)間戳(Epoch)」 等澜躺,為什么區(qū)分「偏向鎖、輕量級鎖抒蚜、重量級鎖」等幾種鎖狀態(tài)呢掘鄙?
?
在JDK1.6之前,synchronized的實(shí)現(xiàn)直接調(diào)用ObjectMonitor的enter和exit嗡髓,這種鎖被稱之為「重量級鎖」操漠。從JDK6開始,HotSpot虛擬機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)對Java中的鎖進(jìn)行優(yōu)化饿这,如增加了適應(yīng)性自旋浊伙、鎖消除、鎖粗化长捧、輕量級鎖和偏向鎖等優(yōu)化策略嚣鄙。
?
- 偏向鎖:在無競爭的情況下,把整個(gè)同步都消除掉串结,CAS操作都不做哑子。
- 輕量級鎖:在沒有多線程競爭時(shí),相對重量級鎖肌割,減少操作系統(tǒng)互斥量帶來的性能消耗赵抢。但是,如果存在鎖競爭声功,除了互斥量本身開銷烦却,還額外有CAS操作的開銷。
- 自旋鎖:減少不必要的CPU上下文切換先巴。在輕量級鎖升級為重量級鎖時(shí)其爵,就使用了自旋加鎖的方式
- 鎖粗化:將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起伸蚯,擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖摩渺。
?
舉個(gè)例子,買門票進(jìn)動(dòng)物園剂邮。老師帶一群小朋友去參觀摇幻,驗(yàn)票員如果知道他們是個(gè)集體,就可以把他們看成一個(gè)整體(鎖租化),一次性驗(yàn)票過绰姻,而不需要一個(gè)個(gè)找他們驗(yàn)票枉侧。
?
- 鎖消除:虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí),對一些代碼上要求同步狂芋,但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進(jìn)行削除榨馁。
有興趣的朋友們可以看看我這篇文章: Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心[1]
2. ThreadLocal原理,使用注意點(diǎn)帜矾,應(yīng)用場景有哪些翼虫?
回答四個(gè)主要點(diǎn):
- ThreadLocal是什么?
- ThreadLocal原理
- ThreadLocal使用注意點(diǎn)
- ThreadLocal的應(yīng)用場景
ThreadLocal是什么?
ThreadLocal,即線程本地變量屡萤。如果你創(chuàng)建了一個(gè)ThreadLocal變量珍剑,那么訪問這個(gè)變量的每個(gè)線程都會(huì)有這個(gè)變量的一個(gè)本地拷貝,多個(gè)線程操作這個(gè)變量的時(shí)候死陆,實(shí)際是操作自己本地內(nèi)存里面的變量招拙,從而起到線程隔離的作用,避免了線程安全問題翔曲。
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">//創(chuàng)建一個(gè)ThreadLocal變量 static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();
</pre>
ThreadLocal原理
ThreadLocal內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖:
由結(jié)構(gòu)圖是可以看出:
- Thread對象中持有一個(gè)ThreadLocal.ThreadLocalMap的成員變量迫像。
- ThreadLocalMap內(nèi)部維護(hù)了Entry數(shù)組,每個(gè)Entry代表一個(gè)完整的對象瞳遍,key是ThreadLocal本身闻妓,value是ThreadLocal的泛型值。
對照著幾段關(guān)鍵源碼來看掠械,更容易理解一點(diǎn)哈~
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">public class Thread implements Runnable { //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的屬性 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null; }
</pre>
ThreadLocal中的關(guān)鍵方法set()和get()
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"> public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); //獲取當(dāng)前線程t ThreadLocalMap map = getMap(t); //根據(jù)當(dāng)前線程獲取到ThreadLocalMap if (map != null) map.set(this, value); //K由缆,V設(shè)置到ThreadLocalMap中 else createMap(t, value); //創(chuàng)建一個(gè)新的ThreadLocalMap } public T get() { Thread t = Thread.currentThread();//獲取當(dāng)前線程t ThreadLocalMap map = getMap(t);//根據(jù)當(dāng)前線程獲取到ThreadLocalMap if (map != null) { //由this(即ThreadLoca對象)得到對應(yīng)的Value,即ThreadLocal的泛型值 ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } return setInitialValue(); }
</pre>
ThreadLocalMap的Entry數(shù)組
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">static class ThreadLocalMap { static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } } }
</pre>
所以怎么回答「ThreadLocal的實(shí)現(xiàn)原理」猾蒂?如下均唉,最好是能結(jié)合以上結(jié)構(gòu)圖一起說明哈~
?
- Thread類有一個(gè)類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的實(shí)例變量threadLocals,即每個(gè)線程都有一個(gè)屬于自己的ThreadLocalMap肚菠。
- ThreadLocalMap內(nèi)部維護(hù)著Entry數(shù)組舔箭,每個(gè)Entry代表一個(gè)完整的對象,key是ThreadLocal本身蚊逢,value是ThreadLocal的泛型值层扶。
- 每個(gè)線程在往ThreadLocal里設(shè)置值的時(shí)候,都是往自己的ThreadLocalMap里存烙荷,讀也是以某個(gè)ThreadLocal作為引用镜会,在自己的map里找對應(yīng)的key,從而實(shí)現(xiàn)了線程隔離终抽。
?
ThreadLocal 內(nèi)存泄露問題
先看看一下的TreadLocal的引用示意圖哈戳表,
?
弱引用:只要垃圾回收機(jī)制一運(yùn)行,不管JVM的內(nèi)存空間是否充足匾旭,都會(huì)回收該對象占用的內(nèi)存镣屹。
?
弱引用比較容易被回收。因此季率,如果ThreadLocal(ThreadLocalMap的Key)被垃圾回收器回收了野瘦,但是因?yàn)門hreadLocalMap生命周期和Thread是一樣的描沟,它這時(shí)候如果不被回收飒泻,就會(huì)出現(xiàn)這種情況:ThreadLocalMap的key沒了,value還在吏廉,這就會(huì)「造成了內(nèi)存泄漏問題」泞遗。
如何「解決內(nèi)存泄漏問題」?使用完ThreadLocal后席覆,及時(shí)調(diào)用remove()方法釋放內(nèi)存空間史辙。
ThreadLocal的應(yīng)用場景
- 數(shù)據(jù)庫連接池
- 會(huì)話管理中使用
3. synchronized和ReentrantLock的區(qū)別?
我記得校招的時(shí)候佩伤,這道面試題出現(xiàn)的頻率還是挺高的~可以從鎖的實(shí)現(xiàn)聊倔、功能特點(diǎn)、性能等幾個(gè)維度去回答這個(gè)問題生巡,
- 「鎖的實(shí)現(xiàn):」 synchronized是Java語言的關(guān)鍵字耙蔑,基于JVM實(shí)現(xiàn)。而ReentrantLock是基于JDK的API層面實(shí)現(xiàn)的(一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 語句塊來完成孤荣。)
- 「性能:」 在JDK1.6鎖優(yōu)化以前甸陌,synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6開始盐股,增加了適應(yīng)性自旋钱豁、鎖消除等,兩者性能就差不多了疯汁。
- 「功能特點(diǎn):」 ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能牲尺,如等待可中斷、可實(shí)現(xiàn)公平鎖幌蚊、可實(shí)現(xiàn)選擇性通知谤碳。
?
- ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機(jī)制,通過lock.lockInterruptibly()來實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制霹肝。
- ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖估蹄。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖沫换。
- synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)等待/通知機(jī)制臭蚁,ReentrantLock類借助Condition接口與newCondition()方法實(shí)現(xiàn)最铁。
- ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖,一般跟finally配合釋放鎖垮兑。而synchronized不用手動(dòng)釋放鎖冷尉。
?
4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區(qū)別
- CountDownLatch:一個(gè)或者多個(gè)線程,等待其他多個(gè)線程完成某件事情之后才能執(zhí)行;
-
CyclicBarrier:多個(gè)線程互相等待系枪,直到到達(dá)同一個(gè)同步點(diǎn)雀哨,再繼續(xù)一起執(zhí)行。 image
舉個(gè)例子吧:
?
- CountDownLatch:假設(shè)老師跟同學(xué)約定周末在公園門口集合私爷,等人齊了再發(fā)門票雾棺。那么,發(fā)門票(這個(gè)主線程)衬浑,需要等各位同學(xué)都到齊(多個(gè)其他線程都完成)捌浩,才能執(zhí)行。
- CyclicBarrier:多名短跑運(yùn)動(dòng)員要開始田徑比賽工秩,只有等所有運(yùn)動(dòng)員準(zhǔn)備好尸饺,裁判才會(huì)鳴槍開始,這時(shí)候所有的運(yùn)動(dòng)員才會(huì)疾步如飛助币。
?
5. Fork/Join框架的理解
?
Fork/Join框架是Java7提供的一個(gè)用于并行執(zhí)行任務(wù)的框架浪听,是一個(gè)把大任務(wù)分割成若干個(gè)小任務(wù),最終匯總每個(gè)小任務(wù)結(jié)果后得到大任務(wù)結(jié)果的框架眉菱。
?
Fork/Join框架需要理解兩個(gè)點(diǎn)迹栓,「分而治之」和「工作竊取算法」。
「分而治之」
以上Fork/Join框架的定義倍谜,就是分而治之思想的體現(xiàn)啦「工作竊取算法」
把大任務(wù)拆分成小任務(wù)迈螟,放到不同隊(duì)列執(zhí)行,交由不同的線程分別執(zhí)行時(shí)尔崔。有的線程優(yōu)先把自己負(fù)責(zé)的任務(wù)執(zhí)行完了答毫,其他線程還在慢慢悠悠處理自己的任務(wù),這時(shí)候?yàn)榱顺浞痔岣咝始敬海托枰ぷ鞅I竊算法啦~
工作盜竊算法就是洗搂,「某個(gè)線程從其他隊(duì)列中竊取任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行的過程」。一般就是指做得快的線程(盜竊線程)搶慢的線程的任務(wù)來做载弄,同時(shí)為了減少鎖競爭耘拇,通常使用雙端隊(duì)列,即快線程和慢線程各在一端宇攻。
6. 為什么我們調(diào)用start()方法時(shí)會(huì)執(zhí)行run()方法惫叛,為什么我們不能直接調(diào)用run()方法?
看看Thread的start方法說明哈~
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"> `/**
- Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
- calls the <code>run</code> method of this thread.
- <p>
- The result is that two threads are running concurrently: the
- current thread (which returns from the call to the
- <code>start</code> method) and the other thread (which executes its
- <code>run</code> method).
- <p>
- It is never legal to start a thread more than once.
- In particular, a thread may not be restarted once it has completed
- execution.
- @exception IllegalThreadStateException if the thread was already
started.
- @see #run()
- @see #stop()
*/
public synchronized void start() {
......
}` </pre>
JVM執(zhí)行start方法逞刷,會(huì)另起一條線程執(zhí)行thread的run方法嘉涌,這才起到多線程的效果~ 「為什么我們不能直接調(diào)用run()方法妻熊?」 如果直接調(diào)用Thread的run()方法,其方法還是運(yùn)行在主線程中仑最,沒有起到多線程效果扔役。
7. CAS?CAS 有什么缺陷警医,如何解決亿胸?
CAS,Compare and Swap,比較并交換预皇;
?
CAS 涉及3個(gè)操作數(shù)侈玄,內(nèi)存地址值V,預(yù)期原值A(chǔ)深啤,新值B拗馒; 如果內(nèi)存位置的值V與預(yù)期原A值相匹配路星,就更新為新值B溯街,否則不更新
?
CAS有什么缺陷?
「ABA 問題」
?
并發(fā)環(huán)境下洋丐,假設(shè)初始條件是A呈昔,去修改數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)現(xiàn)是A就會(huì)執(zhí)行修改友绝。但是看到的雖然是A堤尾,中間可能發(fā)生了A變B,B又變回A的情況迁客。此時(shí)A已經(jīng)非彼A郭宝,數(shù)據(jù)即使成功修改,也可能有問題掷漱。
?
可以通過AtomicStampedReference「解決ABA問題」粘室,它,一個(gè)帶有標(biāo)記的原子引用類卜范,通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性衔统。
「循環(huán)時(shí)間長開銷」
?
自旋CAS,如果一直循環(huán)執(zhí)行海雪,一直不成功锦爵,會(huì)給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。
?
很多時(shí)候奥裸,CAS思想體現(xiàn)险掀,是有個(gè)自旋次數(shù)的,就是為了避開這個(gè)耗時(shí)問題~
「只能保證一個(gè)變量的原子操作湾宙≌燎猓」
?
CAS 保證的是對一個(gè)變量執(zhí)行操作的原子性枝恋,如果對多個(gè)變量操作時(shí),CAS 目前無法直接保證操作的原子性的嗡害。
?
可以通過這兩個(gè)方式解決這個(gè)問題:
?
- 使用互斥鎖來保證原子性焚碌;
- 將多個(gè)變量封裝成對象,通過AtomicReference來保證原子性霸妹。
?
有興趣的朋友可以看看我之前的這篇實(shí)戰(zhàn)文章哈~ CAS樂觀鎖解決并發(fā)問題的一次實(shí)踐[2]
9. 如何保證多線程下i++ 結(jié)果正確十电?
- 使用循環(huán)CAS,實(shí)現(xiàn)i++原子操作
- 使用鎖機(jī)制叹螟,實(shí)現(xiàn)i++原子操作
- 使用synchronized鹃骂,實(shí)現(xiàn)i++原子操作
沒有代碼demo,感覺是沒有靈魂的~ 如下:
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">`/**
- @Author 撿田螺的小男孩
*/
public class AtomicIntegerTest {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
testIAdd();
}
private static void testIAdd() throws InterruptedException {
//創(chuàng)建線程池
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
executorService.execute(() -> {
for (int j = 0; j < 2; j++) {
//自增并返回當(dāng)前值
int andIncrement = atomicInteger.incrementAndGet();
System.out.println("線程:" + Thread.currentThread().getName() + " count=" + andIncrement);
}
});
}
executorService.shutdown();
Thread.sleep(100);
System.out.println("最終結(jié)果是 :" + atomicInteger.get());
}
}` </pre>
運(yùn)行結(jié)果:
<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">... 線程:pool-1-thread-1 count=1997 線程:pool-1-thread-1 count=1998 線程:pool-1-thread-1 count=1999 線程:pool-1-thread-2 count=315 線程:pool-1-thread-2 count=2000 最終結(jié)果是 :2000
</pre>
10. 如何檢測死鎖罢绽?怎么預(yù)防死鎖畏线?死鎖四個(gè)必要條件
死鎖是指多個(gè)線程因競爭資源而造成的一種互相等待的僵局。如圖感受一下:「死鎖的四個(gè)必要條件:」
- 互斥:一次只有一個(gè)進(jìn)程可以使用一個(gè)資源良价。其他進(jìn)程不能訪問已分配給其他進(jìn)程的資源寝殴。
- 占有且等待:當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在等待分配得到其他資源時(shí),其繼續(xù)占有已分配得到的資源明垢。
- 非搶占:不能強(qiáng)行搶占進(jìn)程中已占有的資源蚣常。
- 循環(huán)等待:存在一個(gè)封閉的進(jìn)程鏈,使得每個(gè)資源至少占有此鏈中下一個(gè)進(jìn)程所需要的一個(gè)資源痊银。
「如何預(yù)防死鎖抵蚊?」
- 加鎖順序(線程按順序辦事)
- 加鎖時(shí)限 (線程請求所加上權(quán)限,超時(shí)就放棄溯革,同時(shí)釋放自己占有的鎖)
- 死鎖檢測
參考與感謝
牛頓說贞绳,我之所以看得遠(yuǎn),是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏蟸 謝謝以下各位前輩哈~
- 面試必問的CAS致稀,你懂了嗎冈闭?[3]
- Java多線程:死鎖[4]
- ReenTrantLock可重入鎖(和synchronized的區(qū)別)總結(jié)[5]
- 聊聊并發(fā)(八)——Fork/Join 框架介紹[6]
個(gè)人公眾號
- 覺得寫得好的小伙伴給個(gè)點(diǎn)贊+關(guān)注啦,謝謝~
- 如果有寫得不正確的地方豺裆,麻煩指出拒秘,感激不盡。
- 同時(shí)非常期待小伙伴們能夠關(guān)注我公眾號臭猜,后面慢慢推出更好的干貨~嘻嘻
- github地址:https://github.com/whx123/JavaHome
Reference
[1]
Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心: https://juejin.im/post/5d5374076fb9a06ac76da894#comment [2]
CAS樂觀鎖解決并發(fā)問題的一次實(shí)踐: https://juejin.im/post/5d0616ade51d457756536791 [3]
面試必問的CAS躺酒,你懂了嗎?: https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/79561458 [4]
Java多線程:死鎖: https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/8311034.html [5]
ReenTrantLock可重入鎖(和synchronized的區(qū)別)總結(jié): https://blog.csdn.net/qq838642798/article/details/65441415 [6]
聊聊并發(fā)(八)——Fork/Join 框架介紹: https://www.infoq.cn/article/fork-join-introduction
本文使用 mdnice 排版