全面总结Android面试知识要点：Java核心基础相关（三）

派大星不吃蟹
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一、假如只有一个cpu，单核，多线程还有用吗 ？

这道题想考察什么？

是否了解并发相关的理论知识

考察的知识点

  1. cpu多线程的基本概念
  2. 操作系统的调度任务机制
  3. CPU密集型和IO密集型理论

考生应该如何回答

CPU的执行速度要远大于IO的过程，因此在大多数情况下增加一些复杂的CPU计算都比增加一次IO要快。单核CPU可以通过给每个线程分配CPU时间片（时间单元）来实现多线程机制。由于CPU频率很高，故时间单元非常短。所以单核也可以实现多线程机制。

从用户体现上说，单核多线程也能够减少用户响应时间，例如web页面，也是防止IO阻塞。处理器的数量和并不影响程序结构, 所以不管处理器的个数多少, 程序都可以通过使用多线程得到简化。

二、sychronied修饰普通方法和静态方法的区别？什么是可见性?（小米）

这道题想考察什么？

是否了解Java并发编程的相关知识

考察的知识点

  1. sychronied的原理
  2. 并发的特性

考生应该如何回答

sychronied是Java中并发编程的重要关键字之一。在并发编程中synchronized一直是解决线程安全问题，它可以保证原子性，可见性，以及有序性。

  • 原子性：原子是构成物质的基本单位，所以原子的意思代表着—“不可分”。由不可分可知，具有原子性的操作也就是拒绝线程调度器中断。
  • 可见性：一个线程对共享变量的修改，另一个线程能够立刻看到，称为可见性。
  • 有序性：程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，有时会改变程序中语句的顺序，但是不会影响最终的结果。有序性经典的例子就是利用DCL双重检查创建单例对象。

synchronized可以修饰方法，也能够使用synchronized(obj){}定义同步代码块。

  • 修饰方法：

    1. 实例方法，作用于当前实例加锁，进入方法前需要获取当前实例的锁;
    2. 静态方法，作用于当前类对象加锁，进入方法前需要获取当前类对象的锁;

  • 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入代码块前要获得给定对象的锁。

使用sychronied修饰普通方法和静态方法，其实也等价于synchronized(this){}与synchronized(class){}。

三、Synchronized在JDK1.6之后做了哪些优化 （京东）

这道题想考察什么？

对并发编程的掌握

考察的知识点

并发与synchronized原理

考生如何回答

synchronized是Java中非常重要的一个关键字，对于Android开发同学来说，考虑到多线程的情况，一般都直接使用到synchronized关键字对方法或者对象上锁。但是问题是为什么加上synchronized关键字就能实现锁，它的原理是怎么回事呢？

字节码

如果我们使用javap -v xxx.class 反编译这样一个class文件

public static void main(String[] args) {
        synchronized (InjectTest.class) {
            System.out.println("hello!");
        }
}

此时我们获得到结果为：

monitor转存失败，建议直接上传图片文件

可以看到javap的输出信息中存在：monitorenter与monitorexit指令。这就代表了同步代码块的入口与出口。

这里的monitor是：对象监视器。在JVM中,每个对象都会和一个对象监视器（monitor）相关联。monitorenter指令插入到同步代码块开始的位置、monitorexit指令插入到同步代码块结束位置，jvm需要保证每个monitorenter都有一个monitorexit对应。这两个指令，本质上都是对 对象监视器(monitor)进行获取，这个过程是排他的，也就是说同一时刻只能有一个线程获取到由synchronized所保护对象的监视器。线程执行到monitorenter指令时，会尝试获取对象所对应的monitor所有权，也就是尝试获取对象的锁；而执行monitorexit，就是释放monitor的所有权。 如果其他线程已经占用了monitor，则当前线程进入阻塞状态。

当然这是jdk1.6之前的行为，而jdk1.6以后为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，对synchronized锁进行了优化，包含偏向锁、轻量级锁、重量级锁;

关于锁类型与相关信息的信息都是存放在锁对象的对象头中 ，在了解偏向锁、轻量级锁、重量级锁之前，我们必须先认识一下什么是对象头！

Java对象头

对象在虚拟机内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充；Java对象头是实现synchronized的锁对象的基础，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里。

对象头由：存储对象自身的运行时数据的Mark Word 32位系统中4 + 指向类的指针 kClass pointer ,如果是数组对象还会有数组长度 Array Length。

其中mark word中就存储了锁状态：

image.png

在无锁状态下，mark word中的数据为：

image.png

包含对象hashcode，gc年龄，是否偏向锁与锁标志信息。

偏向锁

而偏向锁下，数据则为：

image.png

拥有锁的线程ID, epoch 大家可以先理解为校验位，同时 是否偏向锁标记由相对无锁状态下的0变为1。

首先之所以会引入偏向锁是因为：大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁，减少不必要的操作。

在程序进入同步代码块时，会访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01，若为偏向锁状态，则查看偏向锁状态下线程ID是否指向当前线程。如果是则直接执行同步代码。但是mark word中记录的线程ID如果不是当前线程，则通过CAS比较与交换尝试修改对象头获得锁。CAS操作成功则可以直接执行同步代码，否则表示有其他线程竞争，此时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁 ，然后被阻塞的线程继续往下执行同步代码。

轻量级锁

image.png

轻量级锁状态下，代码进入同步块时，如果同步对象锁状态为无锁状态， 虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝 ，接着虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针 。这个操作如果成功则代表获取到了锁，但是如果失败，则会检查对象Mark Word是不是指向当前线程栈帧中的锁记录，如果是，则说明本身当前线程就拥有此对象的锁，就可以直接执行同步代码。否则说明锁对象被其他线程获取，当前线程是竞争者，那么当前线程会自旋等待锁，也就是不断重试，当重试一定次数后，总不能一直重试下去吧，太耗CPU了。所以这时候就要升级为重量级锁。

重量级锁

重量级锁就是通过对象监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。主要是，当系统检查到锁是重量级锁之后，会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cup。但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长。

四、CAS无锁编程的原理（字节跳动）

这道题想考察什么？

并发相关问题，原子操作

考察的知识点

Java并发编程，乐观锁机制

考生如何回答

Jdk中java.util.concurrent.atomic包下的类都是采用CAS来实现的。

CAS原理分析

CAS（比较与交换，Compare and swap） 是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”（ Non-blocking algorithm）。

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

1.在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

image.png

2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11。

image.png

3.在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

image.png

4.线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较（Compare） ，发现A不等于V的实际值，提交失败。

image.png

5.线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

image.png

6.这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。

image.png

7.线程1进行SWAP，把地址V的值替换为B，也就是12。

image.png

从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。

CAS的缺点

ABA 问题

由于 CAS 设计机制就是获取某两个时刻(初始预期值和当前内存值)变量值，并进行比较更新，所以说如果在获取初始预期值和当前内存值这段时间间隔内，变量值由 A 变为 B 再变为 A，那么对于 CAS 来说是不可感知的，但实际上变量已经发生了变化；解决办法是在每次获取时加版本号，并且每次更新对版本号 +1，这样当发生 ABA 问题时通过版本号可以得知变量被改动过。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就提供了此种能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

循环时间长开销大

所谓循环时间长开销大问题就是当 CAS 判定变量被修改了以后则放弃本次修改，但往往为了保证数据正确性该计算会以循环的方式再次发起 CAS，如果多次 CAS 判定失败，则会产生大量的时间消耗和性能浪费；如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作
  1. CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效；从 JDK 1.5开始提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作
  2. Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。
  3. valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的。
  4. value是用volatile修饰的，保证了多线程之间看到的value值是同一份。

今天的面试分享到此结束拉~下期在见

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