說說進程和線程的區(qū)別鸠天?
進程是程序的一次執(zhí)行讼育,是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的獨立單位,他的作用是是程序能夠并發(fā)執(zhí)行提高資源利用率和吞吐率稠集。
由于進程是資源分配和調(diào)度的基本單位奶段,因為進程的創(chuàng)建、銷毀剥纷、切換產(chǎn)生大量的時間和空間的開銷痹籍,進程的數(shù)量不能太多,而線程是比進程更小的能獨立運行的基本單位晦鞋,他是進程的一個實體蹲缠,可以減少程序并發(fā)執(zhí)行時的時間和空間開銷刺洒,使得操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。
線程基本不擁有系統(tǒng)資源吼砂,只有一些運行時必不可少的資源逆航,比如程序計數(shù)器、寄存器和棧渔肩,進程則占有堆因俐、棧。
知道synchronized原理嗎周偎?
synchronized是java提供的原子性內(nèi)置鎖抹剩,這種內(nèi)置的并且使用者看不到的鎖也被稱為監(jiān)視器鎖,使用synchronized之后蓉坎,會在編譯之后在同步的代碼塊前后加上monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令澳眷,他依賴操作系統(tǒng)底層互斥鎖實現(xiàn)。他的作用主要就是實現(xiàn)原子性操作和解決共享變量的內(nèi)存可見性問題蛉艾。
執(zhí)行monitorenter指令時會嘗試獲取對象鎖钳踊,如果對象沒有被鎖定或者已經(jīng)獲得了鎖,鎖的計數(shù)器+1勿侯。此時其他競爭鎖的線程則會進入等待隊列中拓瞪。
執(zhí)行monitorexit指令時則會把計數(shù)器-1,當計數(shù)器值為0時助琐,則鎖釋放祭埂,處于等待隊列中的線程再繼續(xù)競爭鎖。
synchronized是排它鎖兵钮,當一個線程獲得鎖之后蛆橡,其他線程必須等待該線程釋放鎖后才能獲得鎖,而且由于Java中的線程和操作系統(tǒng)原生線程是一一對應的掘譬,線程被阻塞或者喚醒時時會從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)泰演,這種轉(zhuǎn)換非常消耗性能。
從內(nèi)存語義來說屁药,加鎖的過程會清除工作內(nèi)存中的共享變量粥血,再從主內(nèi)存讀取,而釋放鎖的過程則是將工作內(nèi)存中的共享變量寫回主內(nèi)存酿箭。
實際上大部分時候我認為說到monitorenter就行了复亏,但是為了更清楚的描述,還是再具體一點缭嫡。
如果再深入到源碼來說缔御,synchronized實際上有兩個隊列waitSet和entryList。
- 當多個線程進入同步代碼塊時妇蛀,首先進入entryList
- 有一個線程獲取到monitor鎖后耕突,就賦值給當前線程笤成,并且計數(shù)器+1
- 如果線程調(diào)用wait方法,將釋放鎖眷茁,當前線程置為null炕泳,計數(shù)器-1,同時進入waitSet等待被喚醒上祈,調(diào)用notify或者notifyAll之后又會進入entryList競爭鎖
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如果線程執(zhí)行完畢培遵,同樣釋放鎖,計數(shù)器-1登刺,當前線程置為null
那鎖的優(yōu)化機制了解嗎籽腕?
從JDK1.6版本之后,synchronized本身也在不斷優(yōu)化鎖的機制纸俭,有些情況下他并不會是一個很重量級的鎖了皇耗。優(yōu)化機制包括自適應鎖、自旋鎖揍很、鎖消除郎楼、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖女轿。
鎖的狀態(tài)從低到高依次為無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖箭启,升級的過程就是從低到高,降級在一定條件也是有可能發(fā)生的蛉迹。
自旋鎖:由于大部分時候,鎖被占用的時間很短放妈,共享變量的鎖定時間也很短北救,所有沒有必要掛起線程,用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的來回上下文切換嚴重影響性能芜抒。自旋的概念就是讓線程執(zhí)行一個忙循環(huán)珍策,可以理解為就是啥也不干,防止從用戶態(tài)轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)宅倒,自旋鎖可以通過設置-XX:+UseSpining來開啟攘宙,自旋的默認次數(shù)是10次,可以使用-XX:PreBlockSpin設置拐迁。
自適應鎖:自適應鎖就是自適應的自旋鎖蹭劈,自旋的時間不是固定時間,而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間和鎖的持有者狀態(tài)來決定线召。
鎖消除:鎖消除指的是JVM檢測到一些同步的代碼塊铺韧,完全不存在數(shù)據(jù)競爭的場景,也就是不需要加鎖缓淹,就會進行鎖消除哈打。
鎖粗化:鎖粗化指的是有很多操作都是對同一個對象進行加鎖塔逃,就會把鎖的同步范圍擴展到整個操作序列之外。
偏向鎖:當線程訪問同步塊獲取鎖時料仗,會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲偏向鎖的線程ID湾盗,之后這個線程再次進入同步塊時都不需要CAS來加鎖和解鎖了,偏向鎖會永遠偏向第一個獲得鎖的線程立轧,如果后續(xù)沒有其他線程獲得過這個鎖淹仑,持有鎖的線程就永遠不需要進行同步,反之肺孵,當有其他線程競爭偏向鎖時匀借,持有偏向鎖的線程就會釋放偏向鎖∑骄剑可以用過設置-XX:+UseBiasedLocking開啟偏向鎖吓肋。
輕量級鎖:JVM的對象的對象頭中包含有一些鎖的標志位,代碼進入同步塊的時候瑰艘,JVM將會使用CAS方式來嘗試獲取鎖是鬼,如果更新成功則會把對象頭中的狀態(tài)位標記為輕量級鎖,如果更新失敗紫新,當前線程就嘗試自旋來獲得鎖均蜜。
整個鎖升級的過程非常復雜,我盡力去除一些無用的環(huán)節(jié)芒率,簡單來描述整個升級的機制囤耳。
簡單點說,偏向鎖就是通過對象頭的偏向線程ID來對比偶芍,甚至都不需要CAS了充择,而輕量級鎖主要就是通過CAS修改對象頭鎖記錄和自旋來實現(xiàn),重量級鎖則是除了擁有鎖的線程其他全部阻塞匪蟀。
那對象頭具體都包含哪些內(nèi)容椎麦?
在我們常用的Hotspot虛擬機中封救,對象在內(nèi)存中布局實際包含3個部分:
- 對象頭
- 實例數(shù)據(jù)
- 對齊填充
而對象頭包含兩部分內(nèi)容茅坛,Mark Word中的內(nèi)容會隨著鎖標志位而發(fā)生變化,所以只說存儲結(jié)構(gòu)就好了役衡。
- 對象自身運行時所需的數(shù)據(jù)段化,也被稱為Mark Word嘁捷,也就是用于輕量級鎖和偏向鎖的關鍵點。具體的內(nèi)容包含對象的hashcode穗泵、分代年齡普气、輕量級鎖指針、重量級鎖指針佃延、GC標記现诀、偏向鎖線程ID夷磕、偏向鎖時間戳。
-
存儲類型指針仔沿,也就是指向類的元數(shù)據(jù)的指針坐桩,通過這個指針才能確定對象是屬于哪個類的實例。 如果是數(shù)組的話封锉,則還包含了數(shù)組的長度
對于加鎖绵跷,那再說下ReentrantLock原理?他和synchronized有什么區(qū)別成福?
相比于synchronized碾局,ReentrantLock需要顯式的獲取鎖和釋放鎖,相對現(xiàn)在基本都是用JDK7和JDK8的版本奴艾,ReentrantLock的效率和synchronized區(qū)別基本可以持平了净当。他們的主要區(qū)別有以下幾點:
- 等待可中斷,當持有鎖的線程長時間不釋放鎖的時候蕴潦,等待中的線程可以選擇放棄等待像啼,轉(zhuǎn)而處理其他的任務。
- 公平鎖:synchronized和ReentrantLock默認都是非公平鎖潭苞,但是ReentrantLock可以通過構(gòu)造函數(shù)傳參改變忽冻。只不過使用公平鎖的話會導致性能急劇下降。
- 綁定多個條件:ReentrantLock可以同時綁定多個Condition條件對象此疹。
ReentrantLock基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer 抽象隊列同步器)實現(xiàn)僧诚。別說了,我知道問題了秀菱,AQS原理我來講振诬。
AQS內(nèi)部維護一個state狀態(tài)位,嘗試加鎖的時候通過CAS(CompareAndSwap)修改值衍菱,如果成功設置為1,并且把當前線程ID賦值肩豁,則代表加鎖成功脊串,一旦獲取到鎖,其他的線程將會被阻塞進入阻塞隊列自旋清钥,獲得鎖的線程釋放鎖的時候?qū)拘炎枞犃兄械木€程琼锋,釋放鎖的時候則會把state重新置為0,同時當前線程ID置為空祟昭。
CAS的原理呢缕坎?
CAS叫做CompareAndSwap,比較并交換篡悟,主要是通過處理器的指令來保證操作的原子性谜叹,它包含三個操作數(shù):
- 變量內(nèi)存地址匾寝,V表示
- 舊的預期值,A表示
- 準備設置的新值荷腊,B表示
當執(zhí)行CAS指令時艳悔,只有當V等于A時,才會用B去更新V的值女仰,否則就不會執(zhí)行更新操作猜年。
那么CAS有什么缺點嗎?
CAS的缺點主要有3點:
ABA問題:ABA的問題指的是在CAS更新的過程中疾忍,當讀取到的值是A乔外,然后準備賦值的時候仍然是A,但是實際上有可能A的值被改成了B一罩,然后又被改回了A杨幼,這個CAS更新的漏洞就叫做ABA。只是ABA的問題大部分場景下都不影響并發(fā)的最終效果擒抛。
Java中有AtomicStampedReference來解決這個問題推汽,他加入了預期標志和更新后標志兩個字段,更新時不光檢查值歧沪,還要檢查當前的標志是否等于預期標志歹撒,全部相等的話才會更新。
循環(huán)時間長開銷大:自旋CAS的方式如果長時間不成功诊胞,會給CPU帶來很大的開銷暖夭。
只能保證一個共享變量的原子操作:只對一個共享變量操作可以保證原子性,但是多個則不行撵孤,多個可以通過AtomicReference來處理或者使用鎖synchronized實現(xiàn)迈着。
好,說說HashMap原理吧邪码?
HashMap主要由數(shù)組和鏈表組成裕菠,他不是線程安全的。核心的點就是put插入數(shù)據(jù)的過程闭专,get查詢數(shù)據(jù)以及擴容的方式奴潘。JDK1.7和1.8的主要區(qū)別在于頭插和尾插方式的修改,頭插容易導致HashMap鏈表死循環(huán)影钉,并且1.8之后加入紅黑樹對性能有提升画髓。
put插入數(shù)據(jù)流程
往map插入元素的時候首先通過對key hash然后與數(shù)組長度-1進行與運算((n-1)&hash),都是2的次冪所以等同于取模平委,但是位運算的效率更高奈虾。找到數(shù)組中的位置之后,如果數(shù)組中沒有元素直接存入,反之則判斷key是否相同肉微,key相同就覆蓋匾鸥,否則就會插入到鏈表的尾部,如果鏈表的長度超過8浪册,則會轉(zhuǎn)換成紅黑樹扫腺,最后判斷數(shù)組長度是否超過默認的長度*負載因子也就是12,超過則進行擴容村象。
get查詢數(shù)據(jù)
查詢數(shù)據(jù)相對來說就比較簡單了笆环,首先計算出hash值,然后去數(shù)組查詢厚者,是紅黑樹就去紅黑樹查躁劣,鏈表就遍歷鏈表查詢就可以了。
resize擴容過程
擴容的過程就是對key重新計算hash库菲,然后把數(shù)據(jù)拷貝到新的數(shù)組账忘。
那多線程環(huán)境怎么使用Map呢?ConcurrentHashmap了解過嗎熙宇?
多線程環(huán)境可以使用Collections.synchronizedMap同步加鎖的方式鳖擒,還可以使用HashTable,但是同步的方式顯然性能不達標烫止,而ConurrentHashMap更適合高并發(fā)場景使用蒋荚。
ConcurrentHashmap在JDK1.7和1.8的版本改動比較大,1.7使用Segment+HashEntry分段鎖的方式實現(xiàn)馆蠕,1.8則拋棄了Segment期升,改為使用CAS+synchronized+Node實現(xiàn),同樣也加入了紅黑樹互躬,避免鏈表過長導致性能的問題播赁。
1.7分段鎖
從結(jié)構(gòu)上說,1.7版本的ConcurrentHashMap采用分段鎖機制吼渡,里面包含一個Segment數(shù)組容为,Segment繼承與ReentrantLock,Segment則包含HashEntry的數(shù)組寺酪,HashEntry本身就是一個鏈表的結(jié)構(gòu)舟奠,具有保存key、value的能力能指向下一個節(jié)點的指針房维。
實際上就是相當于每個Segment都是一個HashMap,默認的Segment長度是16抬纸,也就是支持16個線程的并發(fā)寫咙俩,Segment之間相互不會受到影響。
put流程
其實發(fā)現(xiàn)整個流程和HashMap非常類似,只不過是先定位到具體的Segment阿趁,然后通過ReentrantLock去操作而已膜蛔,后面的流程我就簡化了,因為和HashMap基本上是一樣的脖阵。
- 計算hash皂股,定位到segment,segment如果是空就先初始化
- 使用ReentrantLock加鎖命黔,如果獲取鎖失敗則嘗試自旋呜呐,自旋超過次數(shù)就阻塞獲取,保證一定獲取鎖成功
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遍歷HashEntry悍募,就是和HashMap一樣蘑辑,數(shù)組中key和hash一樣就直接替換,不存在就再插入鏈表坠宴,鏈表同樣
get流程
get也很簡單洋魂,key通過hash定位到segment,再遍歷鏈表定位到具體的元素上喜鼓,需要注意的是value是volatile的副砍,所以get是不需要加鎖的。
1.8CAS+synchronized
1.8拋棄分段鎖庄岖,轉(zhuǎn)為用CAS+synchronized來實現(xiàn)豁翎,同樣HashEntry改為Node,也加入了紅黑樹的實現(xiàn)顿锰。主要還是看put的流程谨垃。
put流程
- 首先計算hash,遍歷node數(shù)組硼控,如果node是空的話刘陶,就通過CAS+自旋的方式初始化
- 如果當前數(shù)組位置是空則直接通過CAS自旋寫入數(shù)據(jù)
- 如果hash==MOVED,說明需要擴容牢撼,執(zhí)行擴容
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如果都不滿足匙隔,就使用synchronized寫入數(shù)據(jù),寫入數(shù)據(jù)同樣判斷鏈表熏版、紅黑樹纷责,鏈表寫入和HashMap的方式一樣,key hash一樣就覆蓋撼短,反之就尾插法再膳,鏈表長度超過8就轉(zhuǎn)換成紅黑樹
get查詢
get很簡單,通過key計算hash曲横,如果key hash相同就返回喂柒,如果是紅黑樹按照紅黑樹獲取不瓶,都不是就遍歷鏈表獲取。
volatile原理知道嗎灾杰?
相比synchronized的加鎖方式來解決共享變量的內(nèi)存可見性問題蚊丐,volatile就是更輕量的選擇,他沒有上下文切換的額外開銷成本艳吠。使用volatile聲明的變量麦备,可以確保值被更新的時候?qū)ζ渌€程立刻可見。volatile使用內(nèi)存屏障來保證不會發(fā)生指令重排昭娩,解決了內(nèi)存可見性的問題凛篙。
我們知道,線程都是從主內(nèi)存中讀取共享變量到工作內(nèi)存來操作题禀,完成之后再把結(jié)果寫會主內(nèi)存鞋诗,但是這樣就會帶來可見性問題。舉個例子迈嘹,假設現(xiàn)在我們是兩級緩存的雙核CPU架構(gòu)削彬,包含L1、L2兩級緩存秀仲。
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線程A首先獲取變量X的值融痛,由于最初兩級緩存都是空,所以直接從主內(nèi)存中讀取X神僵,假設X初始值為0雁刷,線程A讀取之后把X值都修改為1,同時寫回主內(nèi)存保礼。這時候緩存和主內(nèi)存的情況如下圖沛励。
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線程B也同樣讀取變量X的值,由于L2緩存已經(jīng)有緩存X=1炮障,所以直接從L2緩存讀取目派,之后線程B把X修改為2,同時寫回L2和主內(nèi)存胁赢。這時候的X值入下圖所示企蹭。
那么線程A如果再想獲取變量X的值,因為L1緩存已經(jīng)有x=1了智末,所以這時候變量內(nèi)存不可見問題就產(chǎn)生了谅摄,B修改為2的值對A來說沒有感知。
那么系馆,如果X變量用volatile修飾的話送漠,當線程A再次讀取變量X的話,CPU就會根據(jù)緩存一致性協(xié)議強制線程A重新從主內(nèi)存加載最新的值到自己的工作內(nèi)存由蘑,而不是直接用緩存中的值螺男。
再來說內(nèi)存屏障的問題棒厘,volatile修飾之后會加入不同的內(nèi)存屏障來保證可見性的問題能正確執(zhí)行。這里寫的屏障基于書中提供的內(nèi)容下隧,但是實際上由于CPU架構(gòu)不同,重排序的策略不同谓媒,提供的內(nèi)存屏障也不一樣淆院,比如x86平臺上,只有StoreLoad一種內(nèi)存屏障句惯。
- StoreStore屏障土辩,保證上面的普通寫不和volatile寫發(fā)生重排序
- StoreLoad屏障,保證volatile寫與后面可能的volatile讀寫不發(fā)生重排序
- LoadLoad屏障抢野,禁止volatile讀與后面的普通讀重排序
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LoadStore屏障拷淘,禁止volatile讀和后面的普通寫重排序
那么說說你對JMM內(nèi)存模型的理解?為什么需要JMM指孤?
本身隨著CPU和內(nèi)存的發(fā)展速度差異的問題启涯,導致CPU的速度遠快于內(nèi)存,所以現(xiàn)在的CPU加入了高速緩存恃轩,高速緩存一般可以分為L1结洼、L2、L3三級緩存叉跛∷扇蹋基于上面的例子我們知道了這導致了緩存一致性的問題,所以加入了緩存一致性協(xié)議筷厘,同時導致了內(nèi)存可見性的問題鸣峭,而編譯器和CPU的重排序?qū)е铝嗽有院陀行蛐缘膯栴},JMM內(nèi)存模型正是對多線程操作下的一系列規(guī)范約束酥艳,因為不可能讓陳雇員的代碼去兼容所有的CPU摊溶,通過JMM我們才屏蔽了不同硬件和操作系統(tǒng)內(nèi)存的訪問差異,這樣保證了Java程序在不同的平臺下達到一致的內(nèi)存訪問效果玖雁,同時也是保證在高效并發(fā)的時候程序能夠正確執(zhí)行更扁。
- 原子性:Java內(nèi)存模型通過read、load赫冬、assign浓镜、use、store劲厌、write來保證原子性操作膛薛,此外還有l(wèi)ock和unlock,直接對應著synchronized關鍵字的monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令补鼻。
- 可見性:可見性的問題在上面的回答已經(jīng)說過哄啄,Java保證可見性可以認為通過volatile雅任、synchronized、final來實現(xiàn)咨跌。
- 有序性:由于處理器和編譯器的重排序?qū)е碌挠行蛐詥栴}沪么,Java通過volatile、synchronized來保證锌半。
happen-before規(guī)則
雖然指令重排提高了并發(fā)的性能禽车,但是Java虛擬機會對指令重排做出一些規(guī)則限制,并不能讓所有的指令都隨意的改變執(zhí)行位置刊殉,主要有以下幾點:
- 單線程每個操作殉摔,happen-before于該線程中任意后續(xù)操作
- volatile寫happen-before與后續(xù)對這個變量的讀
- synchronized解鎖happen-before后續(xù)對這個鎖的加鎖
- final變量的寫happen-before于final域?qū)ο蟮淖x,happen-before后續(xù)對final變量的讀
- 傳遞性規(guī)則记焊,A先于B逸月,B先于C,那么A一定先于C發(fā)生
說了半天遍膜,到底工作內(nèi)存和主內(nèi)存是什么碗硬?
主內(nèi)存可以認為就是物理內(nèi)存,Java內(nèi)存模型中實際就是虛擬機內(nèi)存的一部分捌归。而工作內(nèi)存就是CPU緩存肛响,他有可能是寄存器也有可能是L1\L2\L3緩存,都是有可能的惜索。
說說ThreadLocal原理特笋?
ThreadLocal可以理解為線程本地變量,他會在每個線程都創(chuàng)建一個副本巾兆,那么在線程之間訪問內(nèi)部副本變量就行了猎物,做到了線程之間互相隔離,相比于synchronized的做法是用空間來換時間角塑。
ThreadLocal有一個靜態(tài)內(nèi)部類ThreadLocalMap蔫磨,ThreadLocalMap又包含了一個Entry數(shù)組,Entry本身是一個弱引用圃伶,他的key是指向ThreadLocal的弱引用堤如,Entry具備了保存key value鍵值對的能力。
弱引用的目的是為了防止內(nèi)存泄露窒朋,如果是強引用那么ThreadLocal對象除非線程結(jié)束否則始終無法被回收搀罢,弱引用則會在下一次GC的時候被回收。
但是這樣還是會存在內(nèi)存泄露的問題侥猩,假如key和ThreadLocal對象被回收之后榔至,entry中就存在key為null,但是value有值的entry對象欺劳,但是永遠沒辦法被訪問到唧取,同樣除非線程結(jié)束運行铅鲤。
但是只要ThreadLocal使用恰當,在使用完之后調(diào)用remove方法刪除Entry對象枫弟,實際上是不會出現(xiàn)這個問題的邢享。
那引用類型有哪些?有什么區(qū)別媒区?
引用類型主要分為強軟弱虛四種:
- 強引用指的就是代碼中普遍存在的賦值方式驼仪,比如A a = new A()這種。強引用關聯(lián)的對象袜漩,永遠不會被GC回收。
- 軟引用可以用SoftReference來描述湾碎,指的是那些有用但是不是必須要的對象宙攻。系統(tǒng)在發(fā)生內(nèi)存溢出前會對這類引用的對象進行回收。
- 弱引用可以用WeakReference來描述介褥,他的強度比軟引用更低一點座掘,弱引用的對象下一次GC的時候一定會被回收,而不管內(nèi)存是否足夠柔滔。
- 虛引用也被稱作幻影引用溢陪,是最弱的引用關系,可以用PhantomReference來描述睛廊,他必須和ReferenceQueue一起使用形真,同樣的當發(fā)生GC的時候,虛引用也會被回收超全∨厮可以用虛引用來管理堆外內(nèi)存。
線程池原理知道嗎嘶朱?
首先線程池有幾個核心的參數(shù)概念:
- 最大線程數(shù)maximumPoolSize
- 核心線程數(shù)corePoolSize
- 活躍時間keepAliveTime
- 阻塞隊列workQueue
- 拒絕策略RejectedExecutionHandler
當提交一個新任務到線程池時蛾坯,具體的執(zhí)行流程如下:
- 當我們提交任務,線程池會根據(jù)corePoolSize大小創(chuàng)建若干任務數(shù)量線程執(zhí)行任務
- 當任務的數(shù)量超過corePoolSize數(shù)量疏遏,后續(xù)的任務將會進入阻塞隊列阻塞排隊
- 當阻塞隊列也滿了之后脉课,那么將會繼續(xù)創(chuàng)建(maximumPoolSize-corePoolSize)個數(shù)量的線程來執(zhí)行任務,如果任務處理完成财异,maximumPoolSize-corePoolSize額外創(chuàng)建的線程等待keepAliveTime之后被自動銷毀
-
如果達到maximumPoolSize倘零,阻塞隊列還是滿的狀態(tài),那么將根據(jù)不同的拒絕策略對應處理
拒絕策略有哪些宝当?
主要有4種拒絕策略:
- AbortPolicy:直接丟棄任務视事,拋出異常,這是默認策略
- CallerRunsPolicy:只用調(diào)用者所在的線程來處理任務
- DiscardOldestPolicy:丟棄等待隊列中最舊的任務庆揩,并執(zhí)行當前任務
- DiscardPolicy:直接丟棄任務俐东,也不拋出異常
最后
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