并发编程

java爱好者
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什么是线程和进程?

何为进程?

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，因此进程是动态的。系统运行一个程序即是一个进程从创建，运行到消亡的过程。

在 Java 中，当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

在 windows 中通过查看任务管理器的方式，我们就可以清楚看到 window 当前运行的进程（.exe 文件的运行）。

何为线程?

线程与进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。

Java 程序天生就是多线程程序，一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其他线程同时运行。

一句话简单了解堆和方法区

堆和方法区是所有线程共享的资源，其中堆是进程中最大的一块内存，主要用于存放新创建的对象 (几乎所有对象都在这里分配内存)，方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

为什么要使用多线程呢?

先从总体上来说：

  • 从计算机底层来说：  线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
  • 从当代互联网发展趋势来说：  现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。

使用多线程可能带来什么问题?

并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率提高程序运行速度，但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的，而且并发编程可能会遇到很多问题，比如：内存泄漏、死锁、线程不安全等等。

说说线程的生命周期和状态?

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什么是上下文切换?

线程在执行过程中会有自己的运行条件和状态（也称上下文），比如上文所说到过的程序计数器，栈信息等。当出现如下情况的时候，线程会从占用 CPU 状态中退出。

  • 主动让出 CPU，比如调用了 sleep(), wait() 等。
  • 时间片用完，因为操作系统要防止一个线程或者进程长时间占用CPU导致其他线程或者进程饿死。
  • 调用了阻塞类型的系统中断，比如请求 IO，线程被阻塞。
  • 被终止或结束运行

这其中前三种都会发生线程切换，线程切换意味着需要保存当前线程的上下文，留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。

上下文切换是现代操作系统的基本功能，因其每次需要保存信息恢复信息，这将会占用 CPU，内存等系统资源进行处理，也就意味着效率会有一定损耗，如果频繁切换就会造成整体效率低下。

什么是线程死锁?如何避免死锁?

认识线程死锁

线程死锁描述的是这样一种情况：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

Output

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁，然后通过Thread.sleep(1000);让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。

上面的例子符合产生死锁的四个必要条件：

  1. 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
  2. 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
  3. 不剥夺条件:线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。
  4. 循环等待条件:若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何预防和避免线程死锁?

如何预防死锁？  破坏死锁的产生的必要条件即可：

  1. 破坏请求与保持条件 ：一次性申请所有的资源。
  2. 破坏不剥夺条件 ：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
  3. 破坏循环等待条件 ：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序（P1、P2、P3.....Pn）来为每个线程分配所需资源，直到满足每个线程对资源的最大需求，使每个线程都可顺利完成。称<P1、P2、P3.....Pn>序列为安全序列。

说说 sleep() 方法和 wait() 方法区别和共同点?

  • 两者最主要的区别在于：sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
  • 两者都可以暂停线程的执行。
  • wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep() 通常被用于暂停执行。
  • wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify() 或者 notifyAll() 方法。sleep() 方法执行完成后，线程会自动苏醒。或者可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。

为什么我们调用 start() 方法时会执行 run() 方法，为什么我们不能直接调用 run() 方法？

这是另一个非常经典的 Java 多线程面试问题，而且在面试中会经常被问到。很简单，但是很多人都会答不上来！

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。 但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

总结： 调用 start() 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。

volatile 关键字

先从缓存说起

CPU 缓存模型了解吗？

为什么要弄一个 CPU 高速缓存呢？  类比我们开发网站后台系统使用的缓存（比如 Redis）是为了解决程序处理速度和访问常规关系型数据库速度不对等的问题。 CPU 缓存则是为了解决 CPU 处理速度和内存处理速度不对等的问题。

CPU Cache 的工作方式：

先复制一份数据到 CPU Cache 中，当 CPU 需要用到的时候就可以直接从 CPU Cache 中读取数据，当运算完成后，再将运算得到的数据写回 Main Memory 中。但是，这样存在 内存缓存不一致性的问题 ！比如我执行一个 i++操作的话，如果两个线程同时执行的话，假设两个线程从 CPU Cache 中读取的 i=1，两个线程做了 1++运算完之后再写回 Main Memory 之后 i=2，而正确结果应该是 i=3。

讲一下 JMM(Java 内存模型)

Java 内存模型抽象了线程和主内存之间的关系，就比如说线程之间的共享变量必须存储在主内存中。Java 内存模型主要目的是为了屏蔽系统和硬件的差异，避免一套代码在不同的平台下产生的效果不一致。

  • 主内存 ：所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)
  • 本地内存 ：每个线程都有一个私有的本地内存来存储共享变量的副本，并且，每个线程只能访问自己的本地内存，无法访问其他线程的本地内存。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，存储了主内存中的共享变量副本。

image.png

Java 内存区域和内存模型(JMM)有何区别？

Java 内存区域和内存模型是完全不一样的两个东西！！！

  • Java 内存区域定义了JVM 在运行时如何分区存储程序数据，就比如说堆主要用于存放对象实例。
  • Java 内存模型抽象了线程和主内存之间的关系，就比如说线程之间的共享变量必须存储在主内存中，其目的是为了屏蔽系统和硬件的差异，避免一套代码在不同的平台下产生的效果不一致。

如何保证变量的可见性？

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被其他的线程看到，即修改的值立即更新到主存中，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

什么是指令重排序？如何禁止指令重排序？

为了提升执行速度/性能，计算机在执行程序代码的时候，会对指令就行重排序。

指令重排序简单来说就是系统在执行代码的时候并不一定是按照你写的代码的顺序依次执行。

常见的重排序有下面 2 种情况：

  • 编译器优化重排 ：编译器（包括 JVM、JIT 编译器等）在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行顺序。
  • 指令并行重排 ：和编译器优化重排类似，

另外，内存系统也会有“重排序”，但有不是真正意义上的重排序。在 JMM 里表现为主存和本地内存，而主存和本地内存的内容可能不一致，所以这也会导致程序表现出乱序的行为。

指令重排序可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致。所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

volatile 关键字除了可以保证变量的可见性，还有一个重要的作用就是防止 JVM 的指令重排序。

如果我们将变量声明为 volatile ，在对这个变量进行读写操作的时候，编译器会通过 内存屏障 来禁止指令重排序。

内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。

synchronized 关键字

说一说自己对于 synchronized 关键字的了解

synchronized 翻译成中文是同步的的意思，主要解决的是多个线程之间访问资源的同步性，可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。

在 Java 早期版本中，synchronized 属于 重量级锁，效率低下。 因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的，Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程，都需要操作系统帮忙完成，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高。

不过，在 Java 6 之后，Java 官方对从 JVM 层面对 synchronized 较大优化，所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6 对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。所以，你会发现目前的话，不论是各种开源框架还是 JDK 源码都大量使用了 synchronized 关键字。

如何使用 synchronized 关键字？

synchronized 关键字最主要的三种使用方式：

  1. 修饰实例方法
  2. 修饰静态方法
  3. 修饰代码块

1. 同步一个代码块

public void func() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

public class SynchronizedExample {

    public void func1() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e1.func1());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e2.func1());
}

0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

2. 同步一个方法

public synchronized void func () {
    // ...
}

它和同步代码块一样，作用于同一个对象。

3. 同步一个类

public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

public class SynchronizedExample {

    public void func2() {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func2());
    executorService.execute(() -> e2.func2());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4. 同步一个静态方法

public synchronized static void fun() {
    // ...
}

作用于整个类。

总结：

  • synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class) 代码块上都是是给 Class 类上锁；
  • synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁；
  • 尽量不要使用 synchronized(String a) 因为 JVM 中，字符串常量池具有缓存功能。

下面我以一个常见的面试题为例讲解一下 synchronized 关键字的具体使用。

面试中面试官经常会说：“单例模式了解吗？来给我手写一下！给我解释一下双重检验锁方式实现单例模式的原理呗！”

双重校验锁实现对象单例（线程安全）

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public  static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

另外，需要注意 uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要。

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

JDK1.6 之后的 synchronized 关键字底层做了哪些优化？

JDK1.6 对锁的实现引入了大量的优化，如偏向锁、轻量级锁、自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化等技术来减少锁操作的开销。

锁主要存在四种状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。

www.cnblogs.com/wuqinglong/…

当前加的什么锁，可以在对象头里的看

偏向锁：只为当前线程加锁，不会解锁，如果有其他线程来竞争就升级为轻量级锁。

因为绝大部分同步代码块都是同一线程访问，所以可以减去解锁的操作。

轻量级锁：就是CAS操作。后面会详细介绍CAS

重量级锁：重量级锁（heavy weight lock），是使用操作系统互斥量（mutex）来实现的传统锁。

java重量级锁的实现monitor(监视器，管程)

对象头的markword

1、无锁状态

25bit4bit1bit(是否是偏向锁)2bit(锁标志位)
对象的hashCode对象分代年龄001

这里的 hashCode 是 Object#hashCode 或者 System#identityHashCode 计算出来的值，不是用户覆盖产生的 hashCode。

2、偏向锁状态

23bit2bit4bit1bit2bit
线程IDepoch对象分代年龄101

这里 线程ID 和 epoch 占用了 hashCode 的位置，所以，如果对象如果计算过 identityHashCode 后，便无法进入偏向锁状态，反过来，如果对象处于偏向锁状态，并且需要计算其 identityHashCode 的话，则偏向锁会被撤销，升级为重量级锁。

epoch：

对于偏向锁，如果 线程ID = 0 表示未加锁。

什么时候会计算 HashCode 呢？比如：将对象作为 Map 的 Key 时会自动触发计算，List 就不会计算，日常创建一个对象，持久化到库里，进行 json 序列化，或者作为临时对象等，这些情况下，并不会触发计算 hashCode，所以大部分情况不会触发计算 hashCode。

Identity hash code是未被覆写的 java.lang.Object.hashCode() 或者 java.lang.System.identityHashCode(Object) 所返回的值。

3、轻量级锁状态

30bit2bit
指向线程栈锁记录的指针00

这里指向栈帧中的 Lock Record 记录，里面当然可以记录对象的 identityHashCode。

4、重量级锁状态

30bit2bit
指向锁监视器的指针10

这里指向了内存中对象的 ObjectMonitor 对象，而 ObectMontitor 对象可以存储对象的 identityHashCode 的值。

Monitorenter和Monitorexit指令，会让对象在执行，使其锁计数器加1或者减1。每一个对象在同一时间只与一个monitor(锁)相关联，而一个monitor在同一时间只能被一个线程获得，一个对象在尝试获得与这个对象相关联的Monitor锁的所有权的时候，monitorenter指令会发生如下3中情况之一：

  • monitor计数器为0，意味着目前还没有被获得，那这个线程就会立刻获得然后把锁计数器+1，一旦+1，别的线程再想获取，就需要等待
  • 如果这个monitor已经拿到了这个锁的所有权，又重入了这把锁，那锁计数器就会累加，变成2，并且随着重入的次数，会一直累加
  • 这把锁已经被别的线程获取了，等待锁释放

monitorexit指令：释放对于monitor的所有权，释放过程很简单，就是讲monitor的计数器减1，如果减完以后，计数器不是0，则代表刚才是重入进来的，当前线程还继续持有这把锁的所有权，如果计数器变成0，则代表当前线程不再拥有该monitor的所有权，即释放锁。

下图表现了对象，对象监视器，同步队列以及执行线程状态之间的关系：

image.png

任意线程对Object的访问，首先要获得Object的监视器，如果获取失败，该线程就进入同步状态，线程状态变为BLOCKED，当Object的监视器占有者释放后，在同步队列中得线程就会有机会重新获取该监视器。监视器有个owner参数记录了获取的线程。

总结：线程获取monitor，并存储在管程参数owner中，锁住的对象的对象头中markword存储了monitor。

![GJ]EM%LTUIC(C]$EP0C_A19.png](p1-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3…?)

synchronized 和 volatile 的区别？

synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在，而不是对立的存在！

  • volatile 关键字是线程同步的轻量级实现，所以 volatile 性能肯定比synchronized关键字要好 。但是 volatile 关键字只能用于变量而 synchronized 关键字可以修饰方法以及代码块 。
  • volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。
  • volatile关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。
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