漫談面試系列

前言

談到多線程跃惫，一般都會(huì)聯(lián)想到高并發(fā)，但是實(shí)際上兩者并不是一個(gè)概念艾栋，高并發(fā)一般指的是從業(yè)務(wù)方面的描述系統(tǒng)的并發(fā)負(fù)載能力爆存，而多線程只不過是如何使CPU的利用率達(dá)到最大化。因此一般問到高并發(fā)蝗砾，都會(huì)從你的項(xiàng)目業(yè)務(wù)角度出發(fā)先较，偏向于實(shí)戰(zhàn)方面，而多線程一般是問底層的一些編程技術(shù)方面的問題悼粮。
當(dāng)然闲勺，如果沒有掌握多線程的技術(shù)，那就不用談所謂的高并發(fā)場(chǎng)景了扣猫。因此我們接下來先了解 Java 當(dāng)中多線程的一些基本知識(shí)點(diǎn)以及相應(yīng)的面試題菜循，而 JVM 層面的多線程面試題即JMM已經(jīng)在《漫談面試系列》——JVM(2)中談及，如果讀者沒有了解這方面的內(nèi)容苞笨，可以先前往該章節(jié)了解一下為什么我們需要關(guān)注線程安全問題债朵。

下面我們通過幾道常問的面試題進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)：

  1. 實(shí)現(xiàn)多線程的方式有哪些，ThreadLocal使用中需要注意什么瀑凝？
  2. CAS 是什么序芦？CAS 有什么缺陷，如何解決粤咪？
  3. AQS 是什么谚中，它有什么作用？

1. 多線程的實(shí)現(xiàn)方式以及ThreadLocal注意點(diǎn)

這里主要介紹一下 Future/Callable 的多線程實(shí)現(xiàn)方式寥枝，其余兩種應(yīng)該就算是初學(xué)者都懂的了宪塔。首先 Callable 算是 Runnable 接口的一個(gè)補(bǔ)充，因?yàn)?Runnable 的 run() 方法是不帶返回值的囊拜，但是 Callable 的 call() 方法是帶返回值某筐，而為了不破壞原有的代碼和風(fēng)格，這個(gè) call() 方法會(huì)在 run() 方法里面調(diào)用冠跷，代碼如下:

//該run方法由FutureTask類實(shí)現(xiàn)
public void run() {
        if (state != NEW ||!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                  //調(diào)用call方法
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            runner = null;
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

Callable 接口提供了帶返回值的線程方法南誊，但是具體如何操作 Callable 接口則由 Future 接口的實(shí)現(xiàn)類進(jìn)行，并且其最終實(shí)現(xiàn)類有且唯有 FutureTask 類蜜托。

Future類的繼承關(guān)系

從上圖可以看出抄囚，F(xiàn)utureTask 實(shí)現(xiàn)了 Future 接口，那么它便獲得了針對(duì) Callable 實(shí)現(xiàn)類的一些操作橄务，例如獲取返回值（阻塞）幔托、判斷任務(wù)是否完成、判斷任務(wù)是否被取消蜂挪、取消任務(wù)等重挑；
同時(shí)它也實(shí)現(xiàn)了 Runnable 接口，那么它可以被 Thread 類使用棠涮。下面我們通過代碼看看 Future 接口有哪些關(guān)乎 Callable 操作的方法：

public interface Future<V> {
    //取消任務(wù)
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    //任務(wù)是否結(jié)束攒驰，無論是完成導(dǎo)致的結(jié)束還是異常導(dǎo)致的結(jié)束
    boolean isCancelled();
     //任務(wù)是否完成
    boolean isDone();
    //阻塞式獲取，只要 call() 方法沒有接受故爵，就一直阻塞
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    //阻塞式獲取玻粪，但是帶有時(shí)間參數(shù)，超過時(shí)間則直接返回
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

總的來說诬垂，我們需要定義 Callable 的 call() 方法劲室，這個(gè)方法可以類比為平時(shí)我們 Runnable 的 run() 方法，然后將 Callable 對(duì)象傳入給 FutureTask 類结窘，在 FutureTask 的 run() 方法中調(diào)用這個(gè) call() 方法很洋，除此之外，如果我們想得知目前該線程的執(zhí)行狀態(tài)和返回結(jié)果隧枫，也可以通過 FutureTask 類的一些方法如 isCancelled()喉磁、isDone()谓苟、get()等方法。接下來我們通過一個(gè)圖以及簡單的代碼demo了解下如何使用 FutureTask 實(shí)現(xiàn)多線程协怒。

FutureTask

public void future(){
        //這里通過lambda表達(dá)式直接生成匿名的Callable類
        FutureTask futureTask = new FutureTask(() -> {
            System.out.println("futureTask demo");
            return "demo";
        });
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();
        //判斷是否在運(yùn)行
        System.out.println(futureTask.isDone());
        //判斷是否以及取消
        System.out.println(futureTask.isCancelled());
        try {
            //獲取返回值
            System.out.println(futureTask.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

這里不過多闡述 FutureTask 的內(nèi)部細(xì)節(jié)涝焙，只為了讓讀者可以理清這種線程方式的邏輯，當(dāng)然 FutureTask 的核心還是在于它提供的異步操作的方法孕暇，這些內(nèi)容讀者可以參考相關(guān)文章仑撞。

很多業(yè)務(wù)，我們需要在多線程環(huán)境下進(jìn)行一些變量的傳遞妖滔，而如果我們使用共享變量隧哮，又會(huì)由于多線程環(huán)境下一致性的問題導(dǎo)致業(yè)務(wù)出錯(cuò)，針對(duì)這種共享變量的一致性座舍，我們只能上鎖進(jìn)行操作沮翔，這種行為相對(duì)來說非常損耗資源；

而如果我們使用局部變量曲秉，又會(huì)在方法的調(diào)用上難以傳參鉴竭，如果我的方法棧很深的話，便會(huì)有大量的方法的形參都得加上這個(gè)局部變量岸浑。

因此搏存，java 提供了一個(gè)方便我們線程隔離的局部變量工具類 ThreadLocal ，假如我們業(yè)務(wù)上不需要共享變量只需要局部變量的話矢洲，可以通過該工具類方便的進(jìn)行方法的調(diào)用傳參璧眠，保證每個(gè)線程獲取到的數(shù)據(jù)都是屬于各自線程的。

ThreadLocal 本質(zhì)上并不存儲(chǔ)任何東西读虏，最終存儲(chǔ)的內(nèi)容都是存放到 Thread 類的一個(gè)內(nèi)部 Map 類當(dāng)中责静，既然說到 Map，那肯定有 key 也有 value盖桥，而 ThreadLocal 對(duì)象便是這個(gè) Map 的 key灾螃，我們只要看看 ThreadLocal 的一個(gè) get()/set() 方法源碼，相信讀者就理解這個(gè)類到底是做什么用了揩徊。

public T get() {
    //獲取當(dāng)前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //然后在這個(gè)線程里面獲取上面提到的 map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
     if (map != null) {
        //通過this來獲取對(duì)應(yīng)的value腰鬼，這個(gè)this便是ThreadLocal對(duì)象
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
     }
     return setInitialValue();
}
public void set(T value) {
      //這個(gè)類的方法都會(huì)通過這個(gè)語句獲取當(dāng)前的線程
      Thread t = Thread.currentThread();
      //然后在這個(gè)線程里面獲取上面提到的 map
      ThreadLocalMap map = getMap(t);
      if (map != null)
          //set操作是將 this 作為 key，至于這個(gè) key 便是 ThreadLocal 對(duì)象了
          map.set(this, value);
      else
          createMap(t, value);
  }
//獲取線程的map對(duì)象
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

基本上這兩個(gè)方法已經(jīng)表明了 ThreadLocal 到底是如何實(shí)現(xiàn)線程隔離的塑荒，其實(shí)數(shù)據(jù)本身就是存到對(duì)應(yīng)的 Thread 對(duì)象當(dāng)中熄赡，肯定是線程隔離的，只不過我們通過這個(gè) ThreadLocal 作為 key 齿税，方便我們獲取其中的數(shù)據(jù)而已彼硫，同時(shí)，如果你想一個(gè)線程擁有多個(gè)局部變量，那么你就得申明多個(gè) ThreadLocal 對(duì)象進(jìn)行使用拧篮。

介紹完ThreadLocal 的基本知識(shí)词渤，接下來我們回到問題，我們使用 ThreadLocal 的時(shí)候需要注意什么串绩。

1. 首先缺虐，我們的數(shù)據(jù)最終都是存儲(chǔ)在線程 Thread 類自身，因此如果我們使用線程池的時(shí)候赏参，由于存在線程的重復(fù)利用志笼，那么就有可能出現(xiàn)這個(gè)線程里面的 map 存有了不同業(yè)務(wù)環(huán)境的變量沿盅，最終可能導(dǎo)致業(yè)務(wù)方面的數(shù)據(jù)問題把篓，因此如果我們使用了線程池，務(wù)必在使用了 get() 方法后并且保證后續(xù)不需要這個(gè)變量了腰涧，在 finally 塊當(dāng)中調(diào)用 remove() 方法韧掩。
2. 還有一點(diǎn)便是，由于 Thread 類中的 ThreadLocalMap 并不知道對(duì)應(yīng)的 key 什么時(shí)候會(huì)沒有引用指向窖铡，因此它無法判斷這個(gè) key 到底還有沒有用疗锐，于是它通過一個(gè)弱引用的形式來存儲(chǔ)這個(gè) ThreadLocal 對(duì)象作為 key ，只要外界沒有引用指向這個(gè) ThreadLocal 對(duì)象费彼，那么GC的時(shí)候便會(huì)自動(dòng)清理掉這個(gè) ThreadLocal 對(duì)象滑臊，不過這個(gè)帶來的問題便是，會(huì)導(dǎo)致 map 里面出現(xiàn)一對(duì) <null,Value> 的情況箍铲，假如出現(xiàn)這種情況后雇卷，線程一直沒有銷毀，也沒執(zhí)行 get\set\remove 方法的話颠猴，那么這個(gè) Value 便會(huì)一直存在关划，最終導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，因此每次使用完 ThreadLocal 對(duì)象翘瓮，盡量在調(diào)用一次 get\set\remove 方法贮折，因?yàn)檫@些方法會(huì)將 map 中 key 為 null 的鍵值對(duì)刪除。

2. CAS是什么资盅？CAS 有什么缺陷调榄，如何解決？

CAS 全稱是 Compare And Swap 呵扛，即比較與交換振峻，它由一條指令完成，是原子性的择份，如果多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)共享變量執(zhí)行 CAS 操作扣孟，最終只會(huì)有一個(gè)線程可以操作成功，操作成功返回 true荣赶，反之返回 false凤价。
在 Java 的 sun.misc.Unsafe 類下鸽斟，就有許多可以使用的 CAS 方法，這些方法都屬于 native 方法利诺，即最終實(shí)現(xiàn)由底層 C/C++ 完成富蓄，在 JUC 里面用的最多的應(yīng)該就是 compareAndSwapInt 方法。

//第一個(gè)參數(shù)是需要修改的對(duì)象
//第二個(gè)參數(shù)是這個(gè)對(duì)象需要修改的字段的內(nèi)存地址偏移量慢逾，用于直接找到相應(yīng)的內(nèi)存位置
//第三個(gè)參數(shù)是需要比較的值立倍，如果當(dāng)前內(nèi)存的值與這個(gè)值相同，才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入
//第四個(gè)參數(shù)是需要寫入的值
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long offset, int expect, int update);

如果業(yè)務(wù)屬于CPU密集類型侣滩，一般我們會(huì)一直循環(huán)調(diào)用CAS來實(shí)現(xiàn)非阻塞資源競(jìng)爭口注，不需要通過鎖的形式來修改某個(gè)共享變量，從而減少線程切換導(dǎo)致的性能損耗君珠，但是這種做法可能會(huì)導(dǎo)致CPU的資源損耗寝志，因?yàn)樗姥h(huán)會(huì)一直占用 CPU 資源。

當(dāng)然策添，如果 CAS 能解決所有共享變量的線程安全問題材部，為什么我們還需要用鎖的形式呢？接下來我們來看看 CAS 的一些問題以及相應(yīng)的解決辦法：

1. 自旋的CAS開銷大唯竹，如果線程一直競(jìng)爭資源失敗乐导，則會(huì)導(dǎo)致cpu一直自旋，造成不必要的開銷浸颓，如果業(yè)務(wù)允許放棄資源物臂，則可以通過設(shè)置超時(shí)時(shí)間解決.
2. CAS只能保證一個(gè)共享變量的原子操作，如果我們想對(duì)多個(gè)共享變量進(jìn)行原子操作猾愿，只能通過鎖的形式解決.
3. ABA問題鹦聪，如果ABA并沒有對(duì)業(yè)務(wù)有實(shí)質(zhì)上的影響的話，這個(gè)并不算問題蒂秘，當(dāng)如果業(yè)務(wù)想要了解該變量當(dāng)前的語義泽本，就會(huì)出現(xiàn)問題，例如棧的問題姻僧，存在棧A-B-C规丽，A是棧頂，有線程X想要將B改為棧頂撇贺，線程X獲取A的值時(shí)線程被掛起赌莺，同時(shí)線程Y介入，將棧A,B出棧松嘶，同時(shí)將A入棧艘狭，這個(gè)時(shí)候棧結(jié)構(gòu)為A-C，線程X喚醒，此時(shí)他對(duì)棧進(jìn)行出棧操作巢音，并將B作為棧頂遵倦，但由于B已經(jīng)出棧，B.next為null官撼，這就導(dǎo)致了C的丟失梧躺，最終棧結(jié)構(gòu)變?yōu)锽而不是最初的想法B-C，這個(gè)問題可以通過加入時(shí)間戳來實(shí)現(xiàn)預(yù)期值變化的感知.

3. AQS 是什么傲绣，它有什么作用

在傳統(tǒng)的多線程資源競(jìng)爭當(dāng)中掠哥，這些線程并沒有進(jìn)行統(tǒng)一的管理，可能導(dǎo)致的結(jié)果便是部分線程永遠(yuǎn)搶占不到鎖秃诵，即饑餓問題续搀。
為了對(duì)多線程并發(fā)進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)一管理，AQS 即 AbstractQueuedSynchronizer 誕生了顷链。

AQS 的本質(zhì)是通過一個(gè)雙向鏈表和一個(gè)狀態(tài)值的結(jié)構(gòu)來管理多個(gè)線程目代，鏈表里面存儲(chǔ)的是一個(gè)個(gè)封裝好的線程對(duì)象節(jié)點(diǎn)屈梁，而狀態(tài)值代表了當(dāng)前鎖的狀態(tài)嗤练，其中 AQS 會(huì)使用 CAS 進(jìn)行狀態(tài)值的修改，從而保證當(dāng)前鎖的狀態(tài)值無誤在讶。

接下來我們通過一系列的圖片煞抬，來了解下 AQS 的基本原理。

首先我們來看看 AQS 的結(jié)構(gòu)是怎么樣的：

AQS結(jié)構(gòu).png

這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)构哺，即 head 節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上不算是阻塞隊(duì)列的一員革答，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)的線程是持有鎖的，后續(xù)節(jié)點(diǎn)的喚醒都需要通過 head 節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)曙强，而這個(gè) head 節(jié)點(diǎn)里面封裝的線程具體是什么也不重要

AQS-start.png

以下操作中，線程顏色對(duì)應(yīng)文字顏色碟嘴，即流程文字對(duì)應(yīng)相應(yīng)的線程操作

AQS-T1.png

AQS-T2.png

AQS-T2.png

為了預(yù)防當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)被中斷取消導(dǎo)致無法喚醒當(dāng)前節(jié)點(diǎn)溪食，在 shouldParkAfterFailedAcquire() 方法中會(huì)通過遍歷的形式尋找一個(gè)"有效的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)"進(jìn)行關(guān)聯(lián)并設(shè)置這個(gè)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的 waitStatus 值

可以看出，AQS 入隊(duì)操作主要分為 3 個(gè)步驟娜扇，分別是：

1. 競(jìng)爭鎖错沃，競(jìng)爭成功直接持有鎖，失敗則進(jìn)入步驟 2 雀瓢；如果當(dāng)前是公平鎖并且阻塞隊(duì)列的 tail 不為空枢析，則直接進(jìn)入步驟 2 而不進(jìn)行競(jìng)爭
2. 將當(dāng)前線程包裝為一個(gè) Node 節(jié)點(diǎn)，如果隊(duì)列沒初始化則先進(jìn)行初始化操作刃麸，等到阻塞隊(duì)列的 tail 不為空醒叁，則將 tail 賦值為當(dāng)前的 Node 節(jié)點(diǎn)，并與上任 tail 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)
3. 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)為 head ，則嘗試競(jìng)爭鎖把沼，競(jìng)爭失敗則將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有效前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitStatus設(shè)置為-1断傲，最后進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的喚醒

AQS-T3.png

AQS-T3.png

AQS-7.png

AQS-unlock-T1.png

AQS-unlock-T1.png

這里為什么要從尾部往前遍歷呢? 主要原因是防止中間有節(jié)點(diǎn)已經(jīng)處于取消狀態(tài)并且與它的后續(xù)節(jié)點(diǎn)斷開關(guān)聯(lián)導(dǎo)致無法喚醒阻塞隊(duì)列其他的等待節(jié)點(diǎn)认罩，因此從后往前遍歷一個(gè)最接近 head 節(jié)點(diǎn)的阻塞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒

AQS-unlock-T2.png

AQS 的出隊(duì)以及喚醒操作主要分為 3 個(gè)步驟：

1. 持有鎖的線程修改 state 字段以及 exclusiveOwnerThread 字段（不考慮重入）
2. 如果當(dāng)前線程節(jié)點(diǎn)的 waitStatus 不為0，從后往前遍歷尋找最接近 head 的節(jié)點(diǎn)并將該節(jié)點(diǎn)的線程喚醒
3. 被喚醒的線程先將前驅(qū)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為 head （如果已經(jīng)是 head 則跳過該步驟）续捂，然后進(jìn)行鎖的競(jìng)爭（非公平鎖的話有可能競(jìng)爭失敗然后進(jìn)入阻塞）垦垂，競(jìng)爭成功后修改 state 字段以及 exclusiveOwnerThread 字段，并將 head 賦值為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)

AQS 使用了模板設(shè)計(jì)模式牙瓢，將阻塞隊(duì)列的隊(duì)列操作自行實(shí)現(xiàn)劫拗，然后給子類留下了 tryAcquire(競(jìng)爭鎖)/tryRelease(釋放鎖)等模板方法，例如自定義公平鎖或非公平鎖的實(shí)現(xiàn)矾克，子類通過繼承 AQS 來實(shí)現(xiàn)具體的上鎖\釋放鎖的方法页慷，因此 AQS 的作用是為同步工具類提供基于阻塞隊(duì)列的組件。

同時(shí)胁附，為了保證 AQS 在多線程進(jìn)行入隊(duì)-出隊(duì)操作時(shí)的線程安全操作酒繁， AQS 內(nèi)部使用了大量的自旋 CAS 操作保證線程安全，并利用了 LockSupport 類的 park() 和 unpark() 方法進(jìn)行線程的阻塞和釋放控妻。

AQS 典型的實(shí)現(xiàn)類有 ReentrantLock 州袒，它通過一個(gè)內(nèi)部類 FairSync/NonfairSync 繼承 AQS 定義了公平鎖/非公平鎖競(jìng)爭鎖的具體邏輯。搞懂了 AQS 弓候，在看 JUC 包內(nèi)的同步工具類便會(huì)變得很簡單郎哭，因?yàn)槟阒恍枰P(guān)注他們不同的上鎖/釋放鎖的邏輯即可，至于線程的管理菇存，幾乎都是一樣夸研。

總結(jié)

在該篇章中，我首先介紹了帶有返回值的多線程實(shí)現(xiàn)方法依鸥，其次介紹了在同步容器中經(jīng)常出現(xiàn)的 CAS 亥至，最后介紹了同步容器的核心類 AQS ，其中 AQS 的內(nèi)容可能偏多毕籽，建議讀者在閱覽 AQS 流程圖解的時(shí)候可以關(guān)聯(lián)下具體代碼的實(shí)現(xiàn)抬闯，可以有效幫助理解 AQS 的運(yùn)行流程和作用。

接下來关筒，我們回到最初的三個(gè)問題

  1. 實(shí)現(xiàn)多線程的方式有哪些溶握，ThreadLocal使用中需要注意什么？
  2. CAS 是什么蒸播？CAS 有什么缺陷睡榆，如何解決萍肆？
  3. AQS 是什么，它有什么作用胀屿？

如果你們可以很流暢的回答這些問題塘揣，那么恭喜你，該章節(jié)的內(nèi)容已經(jīng)全部掌握宿崭，如果不行亲铡，希望可以回到對(duì)應(yīng)問題講解的地方，或者對(duì)某個(gè)不了解的點(diǎn)進(jìn)行額外的知識(shí)搜索葡兑，盡量用自己組織的語言回答這些問題奖蔓。