面试题

请谈谈你对 volatile 的理解

volatile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制

• 保证可见性
• 禁止指令排序
• 不保证原子性

JMM（Java 内存模型） 你谈谈

基本概念

• JMM 本身是一种抽象的概念并不是真实存在，它描述的是一组规定或则规范，通过这组规范定义了程序中的访问方式。

• JMM 同步规定

  • 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存
  • 线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  • 加锁解锁是同一把锁

• 由于 JVM 运行程序的实体是线程，而每个线程创建时 JVM 都会为其创建一个工作内存，工作内存是每个线程的私有数据区域，而 Java 内存模型中规定所有变量的储存在主内存，主内存是共享内存区域，所有的线程都可以访问，但线程对变量的操作（读取赋值等）必须都工作内存进行看。

• 首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，前面说过，工作内存是每个线程的私有数据区域，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成。

• 内存模型图

  

三大特性

• 可见性

• /**
   * @Author: cuzz
   * @Date: 2019/4/16 21:29
   * @Description: 可见性代码实例
   */
  public class VolatileDemo {
      public static void main(String[] args) {
          Data data = new Data();
          new Thread(() -> {
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " coming...");
              try {
                  Thread.sleep(3000);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              data.addOne();
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated...");
          }).start();
  
          while (data.a == 0) {
              // looping
          }
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " job is done...");
      }
  }
  
  class Data {
      // int a = 0;
      volatile int a = 0;
      void addOne() {
          this.a += 1;
      }
  }
  

  如果不加 volatile 关键字，则主线程会进入死循环，加 volatile 则主线程能够退出，说明加了 volatile 关键字变量，当有一个线程修改了值，会马上被另一个线程感知到，当前值作废，从新从主内存中获取值。对其他线程可见，这就叫可见性。

• 原子性

• public class VolatileDemo {
      public static void main(String[] args) {
         // test01();
         test02();
      }
  
      // 测试原子性
      private static void test02() {
          Data data = new Data();
          for (int i = 0; i < 20; i++) {
              new Thread(() -> {
                  for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                      data.addOne();
                  }
              }).start();
          }
          // 默认有 main 线程和 gc 线程
          while (Thread.activeCount() > 2) {
              Thread.yield();
          }
          System.out.println(data.a);
      }
  }
  
  class Data {
      volatile int a = 0;
      void addOne() {
          this.a += 1;
      }
  }
  

  发现并不能输入 20000

• 有序性

  • 计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器个处理器常常会对指令做重排，一般分为以下 3 种

    • 编译器优化的重排
    • 指令并行的重排
    • 内存系统的重排

  • 单线程环境里面确保程序最终执行的结果和代码执行的结果一致

  • 处理器在进行重排序时必须考虑指令之间的数据依赖性

  • 多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证用的变量能否一致性是无法确定的，结果无法预测

  • 代码示例

• • public class ReSortSeqDemo {
        int a = 0;
        boolean flag = false;
        
        public void method01() {
            a = 1;           // flag = true;
                             // ----线程切换----
            flag = true;     // a = 1;
        }
    
        public void method02() {
            if (flag) {
                a = a + 3;
                System.out.println("a = " + a);
            }
        }
    
    }
    

    如果两个线程同时执行，method01 和 method02 如果线程 1 执行 method01 重排序了，然后切换的线程 2 执行 method02 就会出现不一样的结果。

禁止指令排序

volatile 实现禁止指令重排序的优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序的现象

先了解一个概念，内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个 CPU 指令，他的作用有两个：

• 保证特定操作的执行顺序
• 保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现 volatile 的内存可见性）

由于编译器个处理器都能执行指令重排序优化，如果在指令间插入一条 Memory Barrier 则会告诉编译器和 CPU，不管什么指令都不能个这条 Memory Barrier 指令重排序，也就是说通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后执行重排序优化。内存屏障另一个作用是强制刷出各种 CPU 缓存数据，因此任何 CPU 上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

线程安全性保证

• 工作内存与主内存同步延迟现象导致可见性问题
  • 可以使用 synchronzied 或 volatile 关键字解决，它们可以使用一个线程修改后的变量立即对其他线程可见
• 对于指令重排导致可见性问题和有序性问题
  • 可以利用 volatile 关键字解决，因为 volatile 的另一个作用就是禁止指令重排序优化

你在哪些地方用到过 volatile

单例

• 多线程环境下可能存在的安全问题

• @NotThreadSafe
  public class Singleton01 {
      private static Singleton01 instance = null;
      private Singleton01() {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  construction...");
      }
      public static Singleton01 getInstance() {
          if (instance == null) {
              instance = new Singleton01();
          }
          return instance;
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
          for (int i = 0; i < 10; i++) {
              executorService.execute(()-> Singleton01.getInstance());
          }
          executorService.shutdown();
      }
  }
  

  发现构造器里的内容会多次输出

• 双重锁单例

  • 代码

public class Singleton02 {
    private static volatile Singleton02 instance = null;
    private Singleton02() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  construction...");
    }
    public static Singleton02 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton01.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton02();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(()-> Singleton02.getInstance());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

• 如果没有加 volatile 就不一定是线程安全的，原因是指令重排序的存在，加入 volatile 可以禁止指令重排。

• 原因是在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的 instance 不为 null 时，instance 的引用对象可能还没有完成初始化。

• instance = new Singleton() 可以分为以下三步完成

• memory = allocate();  // 1.分配对象空间
  instance(memory);     // 2.初始化对象
  instance = memory;    // 3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null
  

• 步骤 2 和步骤 3 不存在依赖关系，而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变，因此这种优化是允许的。

• 发生重排

• • memory = allocate();  // 1.分配对象空间
    instance = memory;    // 3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null，但对象还没有初始化完成
    instance(memory);     // 2.初始化对象
    

  • 所以不加 volatile 返回的实例不为空，但可能是未初始化的实例

CAS 你知道吗？

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(666);
        // 获取真实值，并替换为相应的值
        boolean b = atomicInteger.compareAndSet(666, 2019);
        System.out.println(b); // true
        boolean b1 = atomicInteger.compareAndSet(666, 2020);
        System.out.println(b1); // false
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }
}

CAS 底层原理？谈谈对 UnSafe 的理解？

getAndIncrement();

/**
 * Atomically increments by one the current value.
 *
 * @return the previous value
 */
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

引出一个问题：UnSafe 类是什么？

UnSafe 类

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            // 获取下面 value 的地址偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
	// ...
}

• Unsafe 是 CAS 的核心类，由于 Java 方法无法直接访问底层系统，而需要通过本地（native）方法来访问， Unsafe 类相当一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于 sun.misc 包中，其内部方法操作可以像 C 指针一样直接操作内存，因为 Java 中 CAS 操作执行依赖于 Unsafe 类。
• 变量 vauleOffset，表示该变量值在内存中的偏移量，因为 Unsafe 就是根据内存偏移量来获取数据的。
• 变量 value 用 volatile 修饰，保证了多线程之间的内存可见性。

CAS 是什么

• CAS 的全称 Compare-And-Swap，它是一条 CPU 并发。

• 它的功能是判断内存某一个位置的值是否为预期，如果是则更改这个值，这个过程就是原子的。

• CAS 并发原体现在 JAVA 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类中的各个方法。调用 UnSafe 类中的 CAS 方法，JVM 会帮我们实现出 CAS 汇编指令。这是一种完全依赖硬件的功能，通过它实现了原子操作。由于 CAS 是一种系统源语，源语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成，用于完成某一个功能的过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行的过程中不允许被中断，也就是说 CAS 是一条原子指令，不会造成所谓的数据不一致的问题。

• 分析一下 getAndAddInt 这个方法

• // unsafe.getAndAddInt
  public final int getAndAddInt(Object obj, long valueOffset, long expected, int val) {
      int temp;
      do {
          temp = this.getIntVolatile(obj, valueOffset);  // 获取快照值
      } while (!this.compareAndSwap(obj, valueOffset, temp, temp + val));  // 如果此时 temp 没有被修改，就能退出循环，否则重新获取
      return temp;
  }
  

CAS 的缺点？

• 循环时间长开销很大
  • 如果 CAS 失败，会一直尝试，如果 CAS 长时间一直不成功，可能会给 CPU 带来很大的开销（比如线程数很多，每次比较都是失败，就会一直循环），所以希望是线程数比较小的场景。
• 只能保证一个共享变量的原子操作
  • 对于多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性。
• 引出 ABA 问题

原子类 AtomicInteger 的 ABA 问题谈一谈？原子更新引用知道吗？

• 原子引用

• public class AtomicReferenceDemo {
      public static void main(String[] args) {
          User cuzz = new User("cuzz", 18);
          User faker = new User("faker", 20);
          AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
          atomicReference.set(cuzz);
          System.out.println(atomicReference.compareAndSet(cuzz, faker)); // true
          System.out.println(atomicReference.get()); // User(userName=faker, age=20)
      }
  }
  

• ABA 问题是怎么产生的

• /**
   * @program: learn-demo
   * @description: ABA
   * @author: cuzz
   * @create: 2019-04-21 23:31
   **/
  public class ABADemo {
      private static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
  
      public static void main(String[] args) {
          new Thread(() -> {
              atomicReference.compareAndSet(100, 101);
              atomicReference.compareAndSet(101, 100);
          }).start();
  
          new Thread(() -> {
              // 保证上面线程先执行
              try {
                  Thread.sleep(1000);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              atomicReference.compareAndSet(100, 2019);
              System.out.println(atomicReference.get()); // 2019
          }).start();
      }
  }
  

  当有一个值从 A 改为 B 又改为 A，这就是 ABA 问题。

• 时间戳原子引用

• package com.cuzz.thread;
  
  import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
  import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
  
  /**
   * @program: learn-demo
   * @description: ABA
   * @author: cuzz
   * @create: 2019-04-21 23:31
   **/
  
  public class ABADemo2 {
      private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
  
      public static void main(String[] args) {
          new Thread(() -> {
              int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为：" + stamp);
              try {
                  Thread.sleep(1000);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );
              atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );
          }).start();
  
          new Thread(() -> {
              int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为：" + stamp);
              try {
                  Thread.sleep(3000);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
              System.out.println(b); // false
              System.out.println(atomicStampedReference.getReference()); // 100
          }).start();
      }
  }
  

  我们先保证两个线程的初始版本为一致，后面修改是由于版本不一样就会修改失败。

我们知道 ArrayList 是线程不安全，请编写一个不安全的案例并给出解决方案？

• 故障现象

• public class ContainerDemo {
      public static void main(String[] args) {
          List<Integer> list = new ArrayList<>();
          Random random = new Random();
          for (int i = 0; i < 100; i++) {
              new Thread(() -> {
                  list.add(random.nextInt(10));
                  System.out.println(list);
              }).start();
          }
      }
  }
  

  发现报 java.util.ConcurrentModificationException

• 导致原因

  • 并发修改导致的异常

• 解决方案

  • new Vector();
  • Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
  • new CopyOnWriteArrayList<>();

• 优化建议

  • 在读多写少的时候推荐使用 CopeOnWriteArrayList 这个类

java 中锁你知道哪些？请手写一个自旋锁？

公平和非公平锁

• 是什么
  • 公平锁：是指多个线程按照申请的顺序来获取值
  • 非公平锁：是值多个线程获取值的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁，在高并发的情况下，可能会造成优先级翻转或者饥饿现象
• 两者区别
  • 公平锁：在并发环境中，每一个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列的第一个就占有锁，否者就会加入到等待队列中，以后会按照 FIFO 的规则获取锁
  • 非公平锁：一上来就尝试占有锁，如果失败在进行排队

可重入锁和不可重入锁

• 是什么

  • 可重入锁：指的是同一个线程外层函数获得锁之后，内层仍然能获取到该锁，在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法或会自动获取该锁
  • 不可重入锁： 所谓不可重入锁，即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞

• 代码实现

  • 可重入锁

public class ReentrantLock {
    boolean isLocked = false;
    Thread lockedBy = null;
    int lockedCount = 0;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        while (isLocked && lockedBy != thread) {
            wait();
        }
        isLocked = true;
        lockedCount++;
        lockedBy = thread;
    }
    
    public synchronized void unlock() {
        if (Thread.currentThread() == lockedBy) {
            lockedCount--;
            if (lockedCount == 0) {
                isLocked = false;
                notify();
            }
        }
    }
}

测试

• public class Count {
  //    NotReentrantLock lock = new NotReentrantLock();
      ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
      public void print() throws InterruptedException{
          lock.lock();
          doAdd();
          lock.unlock();
      }
  
      private void doAdd() throws InterruptedException {
          lock.lock();
          // do something
          System.out.println("ReentrantLock");
          lock.unlock();
      }
  
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          Count count = new Count();
          count.print();
      }
  }
  

  发现可以输出 ReentrantLock，我们设计两个线程调用 print() 方法，第一个线程调用 print() 方法获取锁，进入 lock() 方法，由于初始 lockedBy 是 null，所以不会进入 while 而挂起当前线程，而是是增量 lockedCount 并记录 lockBy 为第一个线程。接着第一个线程进入 doAdd() 方法，由于同一进程，所以不会进入 while 而挂起，接着增量 lockedCount，当第二个线程尝试lock，由于 isLocked=true，所以他不会获取该锁，直到第一个线程调用两次 unlock() 将 lockCount 递减为0，才将标记为 isLocked 设置为 false。

• 不可重入锁

public class NotReentrantLock {
    private boolean isLocked = false;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        while (isLocked) {
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }
    public synchronized void unlock() {
        isLocked = false;
        notify();
    }
}

测试

• • public class Count {
        NotReentrantLock lock = new NotReentrantLock();
        public void print() throws InterruptedException{
            lock.lock();
            doAdd();
            lock.unlock();
        }
    
        private void doAdd() throws InterruptedException {
            lock.lock();
            // do something
            lock.unlock();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Count count = new Count();
            count.print();
        }
    }
    

    当前线程执行print()方法首先获取lock，接下来执行doAdd()方法就无法执行doAdd()中的逻辑，必须先释放锁。这个例子很好的说明了不可重入锁。

• synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁

  • synchronzied

• public class SynchronziedDemo {
  
      private synchronized void print() {
          doAdd();
      }
      private synchronized void doAdd() {
          System.out.println("doAdd...");
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          SynchronziedDemo synchronziedDemo = new SynchronziedDemo();
          synchronziedDemo.print(); // doAdd...
      }
  }
  

  上面可以说明 synchronized 是可重入锁。

• ReentrantLock

• • public class ReentrantLockDemo {
        private Lock lock = new ReentrantLock();
    
        private void print() {
            lock.lock();
            doAdd();
            lock.unlock();
        }
    
        private void doAdd() {
            lock.lock();
            lock.lock();
            System.out.println("doAdd...");
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            ReentrantLockDemo reentrantLockDemo = new ReentrantLockDemo();
            reentrantLockDemo.print();
        }
    }
    

    上面例子可以说明 ReentrantLock 是可重入锁，而且在 #doAdd 方法中加两次锁和解两次锁也可以。

自旋锁

• 是指定尝试获取锁的线程不会立即堵塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上线文切换的消耗，缺点就是循环会消耗 CPU。

• 手动实现自旋锁

public class SpinLock {
    private AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();
    private void lock () {
        System.out.println(Thread.currentThread() + " coming...");
        while (!atomicReference.compareAndSet(null, Thread.currentThread())) {
            // loop
        }
    }

    private void unlock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);
        System.out.println(thread + " unlock...");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        new Thread(() -> {
            spinLock.lock();
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("hahaha");
            spinLock.unlock();

        }).start();

        Thread.sleep(1);

        new Thread(() -> {
            spinLock.lock();
            System.out.println("hehehe");
            spinLock.unlock();
        }).start();
    }
}

输出：

• Thread[Thread-0,5,main] coming...
  Thread[Thread-1,5,main] coming...
  hahaha
  Thread[Thread-0,5,main] unlock...
  hehehe
  Thread[Thread-1,5,main] unlock...
  

  获取锁的时候，如果原子引用为空就获取锁，不为空表示有人获取了锁，就循环等待。

独占锁（写锁）/共享锁（读锁）

• 是什么

  • 独占锁：指该锁一次只能被一个线程持有
  • 共享锁：该锁可以被多个线程持有

• 对于 ReentrantLock 和 synchronized 都是独占锁；对与 ReentrantReadWriteLock 其读锁是共享锁而写锁是独占锁。读锁的共享可保证并发读是非常高效的，读写、写读和写写的过程是互斥的。

• 读写锁例子

public class MyCache {

    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();

    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    WriteLock writeLock = lock.writeLock();
    ReadLock readLock = lock.readLock();

    public void put(String key, Object value) {
        try {
            writeLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在写入...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            map.put(key, value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入完成，写入结果是 " + value);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public void get(String key) {
        try {
            readLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在读...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Object res = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 读取完成，读取结果是 " + res);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
}

测试

public class ReadWriteLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyCache cache = new MyCache();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int temp = i;
            new Thread(() -> {
                cache.put(temp + "", temp + "");
            }).start();
        }

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int temp = i;
            new Thread(() -> {
                cache.get(temp + "");
            }).start();
        }
    }
}

输出结果

• Thread-0 正在写入...
  Thread-0 写入完成，写入结果是 0
  Thread-1 正在写入...
  Thread-1 写入完成，写入结果是 1
  Thread-2 正在写入...
  Thread-2 写入完成，写入结果是 2
  Thread-3 正在写入...
  Thread-3 写入完成，写入结果是 3
  Thread-4 正在写入...
  Thread-4 写入完成，写入结果是 4
  Thread-5 正在读...
  Thread-7 正在读...
  Thread-8 正在读...
  Thread-6 正在读...
  Thread-9 正在读...
  Thread-5 读取完成，读取结果是 0
  Thread-7 读取完成，读取结果是 2
  Thread-8 读取完成，读取结果是 3
  Thread-6 读取完成，读取结果是 1
  Thread-9 读取完成，读取结果是 4
  

  能保证读写、写读和写写的过程是互斥的时候是独享的，读读的时候是共享的。

CountDownLatch/CyclicBarrier/Semaphore 使用过吗？

CountDownLatch

让一些线程堵塞直到另一个线程完成一系列操作后才被唤醒。CountDownLatch 主要有两个方法，当一个或多个线程调用 await 方法时，调用线程会被堵塞，其他线程调用 countDown 方法会将计数减一（调用 countDown 方法的线程不会堵塞），当计数其值变为零时，因调用 await 方法被堵塞的线程会被唤醒，继续执行。

假设我们有这么一个场景，教室里有班长和其他6个人在教室上自习，怎么保证班长等其他6个人都走出教室在把教室门给关掉。

public class CountDownLanchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 离开了教室...");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
        System.out.println("班长把门给关了，离开了教室...");
    }
}

此时输出

0 离开了教室...
1 离开了教室...
2 离开了教室...
3 离开了教室...
班长把门给关了，离开了教室...
5 离开了教室...
4 离开了教室...

发现班长都没有等其他人理他教室就把门给关了，此时我们就可以使用 CountDownLatch 来控制

public class CountDownLanchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            new Thread(() -> {
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 离开了教室...");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.println("班长把门给关了，离开了教室...");
    }
}

此时输出

0 离开了教室...
1 离开了教室...
2 离开了教室...
3 离开了教室...
4 离开了教室...
5 离开了教室...
班长把门给关了，离开了教室...

CyclicBarrier

我们假设有这么一个场景，每辆车只能坐个人，当车满了，就发车。

public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, () -> {
            System.out.println("车满了，开始出发...");
        });
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始上车...");
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

输出结果

Thread-0 开始上车...
Thread-1 开始上车...
Thread-3 开始上车...
Thread-4 开始上车...
车满了，开始出发...
Thread-5 开始上车...
Thread-7 开始上车...
Thread-2 开始上车...
Thread-6 开始上车...
车满了，开始出发...

Semaphore

假设我们有 3 个停车位，6 辆车去抢

public class SemaphoreDemo {
  public static void main(String[] args) {
      Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
      for (int i = 0; i < 6; i++) {
          new Thread(() -> {
              try {
                  semaphore.acquire(); // 获取一个许可
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 抢到车位...");
                  Thread.sleep(3000);
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 离开车位");
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              } finally {
                  semaphore.release(); // 释放一个许可
              }
          }).start();
      }
  }
}

输出

Thread-1 抢到车位...
Thread-2 抢到车位...
Thread-0 抢到车位...
Thread-2 离开车位
Thread-0 离开车位
Thread-3 抢到车位...
Thread-1 离开车位
Thread-4 抢到车位...
Thread-5 抢到车位...
Thread-3 离开车位
Thread-5 离开车位
Thread-4 离开车位

堵塞队列你知道吗？

阻塞队列有哪些

• ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）对元素进行排序。
• LinkedBlokcingQueue：是一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）对元素进行排序，吞吐量通常要高于 ArrayBlockingQueue。
• SynchronousQueue：是一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于 LinkedBlokcingQueue。

什么是阻塞队列

• 阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，而一个阻塞队列在数据结构中所起的作用大致如图所示：
• 当阻塞队列是空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞。

• 当阻塞队列是满时，往队列里添加元素的操作将会被阻塞。

• 核心方法

  | 方法行为 | 抛异常 | 特定的值 | 阻塞 | 超时 |
  | :——-: | :——-: | :—————: | :—-: | :————————-: |
  | 插入方法 | add(o) | offer(o) | put(o) | offer(o, timeout, timeunit) |
  | 移除方法 | | poll()、remove(o) | take() | poll(timeout, timeunit) |
  | 检查方法 | element() | peek() | | |

• 行为解释：

  • 抛异常：如果操作不能马上进行，则抛出异常

  • 特定的值：如果操作不能马上进行，将会返回一个特殊的值，一般是 true 或者 false

  • 阻塞：如果操作不能马上进行，操作会被阻塞

  • 超时：如果操作不能马上进行，操作会被阻塞指定的时间，如果指定时间没执行，则返回一个特殊值，一般是 true 或者 false

• 插入方法：

  • add(E e)：添加成功返回true，失败抛 IllegalStateException 异常
  • offer(E e)：成功返回 true，如果此队列已满，则返回 false
  • put(E e)：将元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则一直阻塞

• 删除方法：

  • remove(Object o) ：移除指定元素,成功返回true，失败返回false
  • poll()：获取并移除此队列的头元素，若队列为空，则返回 null
  • take()：获取并移除此队列头元素，若没有元素则一直阻塞

• 检查方法：

  • element() ：获取但不移除此队列的头元素，没有元素则抛异常
  • peek() :获取但不移除此队列的头；若队列为空，则返回 null

SynchronousQueue

SynchronousQueue，实际上它不是一个真正的队列，因为它不会为队列中元素维护存储空间。与其他队列不同的是，它维护一组线程，这些线程在等待着把元素加入或移出队列。

public class SynchronousQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(() -> {
            try {
                synchronousQueue.put(1);
                Thread.sleep(3000);
                synchronousQueue.put(2);
                Thread.sleep(3000);
                synchronousQueue.put(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Integer val = synchronousQueue.take();
                System.out.println(val);
                Integer val2 = synchronousQueue.take();
                System.out.println(val2);
                Integer val3 = synchronousQueue.take();
                System.out.println(val3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

使用场景

• 生产者消费者模式
• 线程池
• 消息中间件

synchronized 和 Lock 有什么区别？

• 原始结构
  • synchronized 是关键字属于 JVM 层面，反应在字节码上是 monitorenter 和 monitorexit，其底层是通过 monitor 对象来完成，其实 wait/notify 等方法也是依赖 monitor 对象只有在同步快或方法中才能调用 wait/notify 等方法。
  • Lock 是具体类（java.util.concurrent.locks.Lock）是 api 层面的锁。
• 使用方法
  • synchronized 不需要用户手动去释放锁，当 synchronized 代码执行完后系统会自动让线程释放对锁的占用。
  • ReentrantLock 则需要用户手动的释放锁，若没有主动释放锁，可能导致出现死锁的现象，lock() 和 unlock() 方法需要配合 try/finally 语句来完成。
• 等待是否可中断
  • synchronized 不可中断，除非抛出异常或者正常运行完成。
  • ReentrantLock 可中断，设置超时方法 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，lockInterruptibly() 放代码块中，调用 interrupt() 方法可中断。
• 加锁是否公平
  • synchronized 非公平锁
  • ReentrantLock 默认非公平锁，构造方法中可以传入 boolean 值，true 为公平锁，false 为非公平锁。
• 锁可以绑定多个 Condition
  • synchronized 没有 Condition。
  • ReentrantLock 用来实现分组唤醒需要唤醒的线程们，可以精确唤醒，而不是像 synchronized 要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。

线程池使用过吗？谈谈对 ThreadPoolExector 的理解？

为什使用线程池，线程池的优势？

线程池用于多线程处理中，它可以根据系统的情况，可以有效控制线程执行的数量，优化运行效果。线程池做的工作主要是控制运行的线程的数量，处理过程中将任务放入队列，然后在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大数量，那么超出数量的线程排队等候，等其它线程执行完毕，再从队列中取出任务来执行。

主要特点为：

• 线程复用
• 控制最大并发数量
• 管理线程

主要优点

• 降低资源消耗，通过重复利用已创建的线程来降低线程创建和销毁造成的消耗。
• 提高相应速度，当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
• 提高线程的可管理性，线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅仅会消耗系统资源，还会降低体统的稳定性，使用线程可以进行统一分配，调优和监控。

创建线程的几种方式

• 继承 Thread

• 实现 Runnable 接口

• 实现 Callable

• public class CallableDemo {
      public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
          // 在 FutureTask 中传入 Callable 的实现类
          FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
              @Override
              public Integer call() throws Exception {
                  return 666;
              }
          });
          // 把 futureTask 放入线程中
          new Thread(futureTask).start();
          // 获取结果
          Integer res = futureTask.get();
          System.out.println(res);
      }
  }
  

线程池如果使用？

架构说明

编码实现

• Executors.newSingleThreadExecutor()：只有一个线程的线程池，因此所有提交的任务是顺序执行
• Executors.newCachedThreadPool()：线程池里有很多线程需要同时执行，老的可用线程将被新的任务触发重新执行，如果线程超过60秒内没执行，那么将被终止并从池中删除
• Executors.newFixedThreadPool()：拥有固定线程数的线程池，如果没有任务执行，那么线程会一直等待
• Executors.newScheduledThreadPool()：用来调度即将执行的任务的线程池
• Executors.newWorkStealingPool()： newWorkStealingPool适合使用在很耗时的操作，但是newWorkStealingPool不是ThreadPoolExecutor的扩展，它是新的线程池类ForkJoinPool的扩展，但是都是在统一的一个Executors类中实现，由于能够合理的使用CPU进行对任务操作（并行操作），所以适合使用在很耗时的任务中

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor作为java.util.concurrent包对外提供基础实现，以内部线程池的形式对外提供管理任务执行，线程调度，线程池管理等等服务。

线程池的几个重要参数介绍？

参数	作用
corePoolSize	核心线程池大小
maximumPoolSize	最大线程池大小
keepAliveTime	线程池中超过 corePoolSize 数目的空闲线程最大存活时间；可以allowCoreThreadTimeOut(true) 使得核心线程有效时间
TimeUnit	keepAliveTime 时间单位
workQueue	阻塞任务队列
threadFactory	新建线程工厂
RejectedExecutionHandler	当提交任务数超过 maxmumPoolSize+workQueue 之和时，任务会交给RejectedExecutionHandler 来处理

说说线程池的底层工作原理？

重点讲解： 其中比较容易让人误解的是：corePoolSize，maximumPoolSize，workQueue之间关系。

1. 当线程池小于corePoolSize时，新提交任务将创建一个新线程执行任务，即使此时线程池中存在空闲线程。

2. 当线程池达到corePoolSize时，新提交任务将被放入 workQueue 中，等待线程池中任务调度执行。

3. 当workQueue已满，且 maximumPoolSize 大于 corePoolSize 时，新提交任务会创建新线程执行任务。

4. 当提交任务数超过 maximumPoolSize 时，新提交任务由 RejectedExecutionHandler 处理。

5. 当线程池中超过corePoolSize 线程，空闲时间达到 keepAliveTime 时，关闭空闲线程 。

6. 当设置allowCoreThreadTimeOut(true) 时，线程池中 corePoolSize 线程空闲时间达到 keepAliveTime 也将关闭。

线程池用过吗？生产上你如何设置合理参数？

线程池的拒绝策略你谈谈？

• 是什么
  • 等待队列已经满了，再也塞不下新的任务，同时线程池中的线程数达到了最大线程数，无法继续为新任务服务。
• 拒绝策略
  • AbortPolicy：处理程序遭到拒绝将抛出运行时 RejectedExecutionException
  • CallerRunsPolicy：线程调用运行该任务的 execute 本身。此策略提供简单的反馈控制机制，能够减缓新任务的提交速度。
  • DiscardPolicy：不能执行的任务将被删除
  • DiscardOldestPolicy：如果执行程序尚未关闭，则位于工作队列头部的任务将被删除，然后重试执行程序（如果再次失败，则重复此过程）

你在工作中单一的、固定数的和可变的三种创建线程池的方法，你用哪个多，超级大坑？

如果读者对Java中的阻塞队列有所了解的话，看到这里或许就能够明白原因了。

Java中的BlockingQueue主要有两种实现，分别是ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue。

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列，必须设置容量。

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列，容量可以选择进行设置，不设置的话，将是一个无边界的阻塞队列，最大长度为Integer.MAX_VALUE。

这里的问题就出在：不设置的话，将是一个无边界的阻塞队列，最大长度为Integer.MAX_VALUE。也就是说，如果我们不设置LinkedBlockingQueue的容量的话，其默认容量将会是Integer.MAX_VALUE。

而newFixedThreadPool中创建LinkedBlockingQueue时，并未指定容量。此时，LinkedBlockingQueue就是一个无边界队列，对于一个无边界队列来说，是可以不断的向队列中加入任务的，这种情况下就有可能因为任务过多而导致内存溢出问题。

上面提到的问题主要体现在newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor两个工厂方法上，并不是说newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool这两个方法就安全了，这两种方式创建的最大线程数可能是Integer.MAX_VALUE，而创建这么多线程，必然就有可能导致OOM。

你在工作中是如何使用线程池的，是否自定义过线程池使用？

自定义线程池

public class ThreadPoolExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = new ThreadPoolExecutor(2, 3, 1L, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(5), 
                Executors.defaultThreadFactory(), 
                new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());
    }
}

合理配置线程池你是如果考虑的？

• CPU 密集型
  • CPU 密集的意思是该任务需要大量的运算，而没有阻塞，CPU 一直全速运行。
  • CPU 密集型任务尽可能的少的线程数量，一般为 CPU 核数 + 1 个线程的线程池。
• IO 密集型
  • 由于 IO 密集型任务线程并不是一直在执行任务，可以多分配一点线程数，如 CPU * 2 。
  • 也可以使用公式：CPU 核数 / (1 - 阻塞系数)；其中阻塞系数在 0.8 ～ 0.9 之间。

死锁编码以及定位分析

• 产生死锁的原因

  • 死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种相互等待的现象，如果无外力的干涉那它们都将无法推进下去，如果系统的资源充足，进程的资源请求都能够得到满足，死锁出现的可能性就很低，否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。

• 代码

• public class DeadLockDemo {
      public static void main(String[] args) {
          String lockA = "lockA";
          String lockB = "lockB";
  
          DeadLockDemo deadLockDemo = new DeadLockDemo();
          Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
          executor.execute(() -> deadLockDemo.method(lockA, lockB));
          executor.execute(() -> deadLockDemo.method(lockB, lockA));
  
      }
  
      public void method(String lock1, String lock2) {
          synchronized (lock1) {
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--获取到：" + lock1 + "; 尝试获取：" + lock2);
              try {
                  Thread.sleep(1000);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              synchronized (lock2) {
                  System.out.println("获取到两把锁!");
              }
          }
      }
  }
  

• 解决

  • jps -l 命令查定位进程号

• 28519 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
  32376 com.intellij.idea.Main
  28521 com.cuzz.thread.DeadLockDemo
  27836 org.jetbrains.kotlin.daemon.KotlinCompileDaemon
  28591 sun.tools.jps.Jps
  

• jstack 28521 找到死锁查看

• • 2019-05-07 00:04:15
    Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.191-b12 mixed mode):
    
    "Attach Listener" #13 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x00007f7acc001000 nid=0x702a waiting on condition [0x0000000000000000]
       java.lang.Thread.State: RUNNABLE
    // ...
    Found one Java-level deadlock:
    =============================
    "pool-1-thread-2":
      waiting to lock monitor 0x00007f7ad4006478 (object 0x00000000d71f60b0, a java.lang.String),
      which is held by "pool-1-thread-1"
    "pool-1-thread-1":
      waiting to lock monitor 0x00007f7ad4003be8 (object 0x00000000d71f60e8, a java.lang.String),
      which is held by "pool-1-thread-2"
    
    Java stack information for the threads listed above:
    ===================================================
    "pool-1-thread-2":
            at com.cuzz.thread.DeadLockDemo.method(DeadLockDemo.java:34)
            - waiting to lock <0x00000000d71f60b0> (a java.lang.String)
            - locked <0x00000000d71f60e8> (a java.lang.String)
            at com.cuzz.thread.DeadLockDemo.lambda$main$1(DeadLockDemo.java:21)
            at com.cuzz.thread.DeadLockDemo$$Lambda$2/2074407503.run(Unknown Source)
            at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
            at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
            at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
    "pool-1-thread-1":
            at com.cuzz.thread.DeadLockDemo.method(DeadLockDemo.java:34)
            - waiting to lock <0x00000000d71f60e8> (a java.lang.String)
            - locked <0x00000000d71f60b0> (a java.lang.String)
            at com.cuzz.thread.DeadLockDemo.lambda$main$0(DeadLockDemo.java:20)
            at com.cuzz.thread.DeadLockDemo$$Lambda$1/558638686.run(Unknown Source)
            at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
            at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
            at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
    
    Found 1 deadlock.
    

    最后发现一个死锁。

参考链接

• Java内存模型-volatile