多线程相关面试题问答

不弃微末_久久为功
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1.什么是线程？线程与进程有什么区别？

线程是操作系统能够进行运算的最小调度单元，被包含在进程之中，是进程的实际运作单位。
进程是计算机中程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。
区别：进程拥有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会影响到其他进程；线程是进程的一部分，没有独立的地址空间，一个线程死掉等于整个进程死掉。

2.什么是线程安全？如何保证线程安全？

线程安全是指一个操作即使在多线程环境中被频繁调用，也能保证正常的行为，不会出现数据不一致等问题。
保证线程安全的方法：使用同步代码块(synchronized)、锁(lock)、原子类(AtomicXXX)、使用不可变对象等。

3.简述java中的几种线程同步机制

synchronized:同步代码块或方法。
ReentrantLock:可重入锁，提供了比synchronized更灵活的操作
CountDownLatch:允许一个或多个线程等待其他线程操作完成
Seamphore:用于控制同时访问特定资源的线程数量
CyclicBarrier:允许一组线程相互等待，直到所有线程都达到某个屏障点

4.什么是死锁？如何避免死锁？

死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因竞争资源而造成的一种互相等待的现象，如果没有外力干涉，它们都将无法继续执行下去。
避免死锁：避免循环等待、避免持有锁后再申请其他锁、尝试使用锁排序等。

5.多线程中如何处理并发修改共享资源问题？

使用锁（如synchroized、ReentrantLock）来控制对共享资源的访问。
使用volatile关键字保证变量的可见性
使用原子类（如AtomicInteger）来保证原子性操作

6.什么是线程池？如何使用线程池？

线程池是一种用于管理线程的资源池，可以复用已创建的线程，降低创建和销毁线程的开销。
使用ExecutorService接口的实现类（如ThreadPoolExecutor）来创建和管理线程池。

7.简述Java中的线程优先级和调度机制

线程优先级：线程优先级范围为1到10，默认优先级为5
调度机制：基于优先级和线程饥饿的预防，Java线程调度是基于协作式和时间片的抢占式

8.什么是锁竞争？如何优化竞争？

锁竞争是指多个线程争夺同一把锁的现象
优化方案：减少锁的持有时间、使用读写锁（ReadWriteLock）、锁分离等。

9.简述Java中volatile关键字的作用和限制

作用：保证共享变量的可见性，即一个线程对共享变量的修改，对其他线程立即可见。
限制：不能保证原子性操作，只能保证可见性和有序性。

10.什么是线程本地变量（ThreadLocal）?如何使用线程本地变量？

线程本地变量是线程的局部变量，每个线程都有自己的变量副本
使用ThreadLocal<T>用来存储每个线程的局部变量

11.java多线程中常用的锁有哪些？

1.乐观锁：适用于读多写少的场景，通过版本号机制或CAS操作来避免数据冲突。
2.悲观锁：适用于写多读少的场景，始终对数据进行加锁保护，如synchronized关键字和Lock接口的实现类。
3.独占锁：也称排它锁，一次只能一个线程获取，如ReentrantLock.
4.共享锁：允许多个线程同时获取锁，如ReentrantReadWriteLock中的读锁。
5.公平锁：按照线程请求锁的顺序来分配锁，避免饥饿现象，例如ReentrantLock可以设置为公平锁。
6.非公平锁：不保证线程按取锁的顺序，可能会造成某些线程长时间无法获取锁，但通常有更高的性能，如ReentrantLock默认是非公平锁。
7.条件锁：Condition接口提供类似Object.wait()和Object.notify()的功能，允许线程在某个条件下等待或被唤醒。

在java中，锁可以通过以下方式实现：

synchronized关键字：隐式加锁，支持重入
java.util.concurrent.locks包中的接口和类：提供了Lock接口和其实现类如ReentrantLock,提供了更灵活的锁操作，如可中断的获取锁、尝试非阻塞地获取锁等。
AQS框架：用于构建自定义的锁或其他同步组件

12. 线程池中提交一个任务的流程是怎样的？

1.开始
2.提交Runnable
3.检查线程数 < corePoolSize
4.没有达到线程池的核心线程数量，则创建新线程，当前Runnable作为线程要执行的第一个任务。如果已经大于corePoolSize，则尝试将runnable加入到workQueue中
5.尝试将当前runnable加入到workQueue中，先检查workQueue是否满了，没有满就入队，等待被执行，如果队列也满了，那么检查当前线程数和线程池最大线程数(maximumPoolSize)做比较，尝试继续增加线程，如果比最大线程小，则创建新的线程，将runnable作为线程要执行的第一个任务；如果比最大线程都要大，则拒绝当前任务；

image.png

13.线程池中有几种状态？分别是如何变化的？

状态：

  • RUNNING：会接收新任务并且会处理队列中的任务
  • SHUTDOWN：不会接收新任务，但是会处理队列中的任务，任务处理完后会中断所有线程
  • STOP：不会接收新任务并且不会处理队列中的任务，并且会直接中断所有线程
  • TIDYING：所有线程都停止了之后，线程池状态就会转为TIDYING，一旦达到此状态，就会调用线程池的terminated()
  • TERMINATED terminated()执行完之后会转变为TERMINATED

变化状态：

  • RUNNING -> SHUTDOWN(从running状态手动调用shutdown()或者线程池对象GC)
  • SUNNING -> STOP(手动调用shutdownNow())
  • SHUTDOWN -> STOP(手动调用shutdown()紧接着又调用shutdownNow()触发)
  • SHUTDOWN -> TIDYING(线程池所有线程都停止后自动触发)
  • STOP -> TIDYING(线程池所有线程都停止后自动触发)
  • TIDYING -> TERMINATED(线程池自动调用terminated());

14.线程有哪些状态？

  • 新建（new）:线程已经被创建但尚未启动的状态。
  • 就绪（runnable）:线程已经在JVM中执行，等待获取CPU时间片。
  • 阻塞（blocked）:线程正在等获取一个监视器锁（例如，进入synchronized块）.
  • 等待（waiting）：线程正在等待其他线程执行特定操作（如通过Object.wait()、Thread.join()）。
  • 计时等待（timed_waiting）：线程正在等待其他线程执行特定操作，但是设置了超时时间（如通过Thread.sleep(long millis)、 Object.wait(long timeout)、Thread.join(long millis)）。
  • 终止（TERMINATED）:线程已经执行完成。
public class ThreadStateDemo implements Runnable {
    public void run() {
        // 新建状态 -> 就绪状态（当线程启动时）
        System.out.println("当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " 运行");
        
        // 就绪状态 -> 阻塞状态（等待获取锁）
        synchronized (this) {
            try {
                // 阻塞状态 -> 等待状态（调用wait方法）
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        
        // 等待状态 -> 就绪状态（当其他线程调用notify或notifyAll方法）
        // 就绪状态 -> 终止状态（当线程执行完成）
        System.out.println("当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " 终止");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程并启动
        Thread thread = new Thread(new ThreadStateDemo());
        thread.start();
        
        // ...
    }
}

15.concurrentHashMap的扩容机制

1.7版本

  • 1.7版本的ConcurrentHashMap是基于Segment分段实现的
  • 每个Segment相当于一个小型的hashMap
  • 每个Segment内部会进行扩容，和HashMap的扩容逻辑类似
  • 先生成新的数组，然后转移到新数组中
  • 扩容的判断也是每个Segment内部单独判断的，判断是否超过阈值

1.8版本

  • 1.8版本的ConcurrentHashMap不再基于Segment实现
  • 当某个线程进行put时，如果发现ConcurrentHashMap正在进行扩容则该线程一起进行扩容
  • 如果某个线程put时，发现没有正在进行扩容，则将key-value添加到ConcurrentHashMap中，然后判断是否超过阈值，超过了则进行扩容
  • ConcurrentHashMap支持多线程同时扩容
  • 在扩容之前也会先生成一个新的数组
  • 在转移元素时，先将原数据分组，将每组分给不同的线程来进行元素转移，每个线程负责一组或多组元素转移工作

16.ReentrantLock中tryLock()和lock()的区别

  • tryLock()表示尝试加锁，加到锁返回true，没加到返回false
  • lock()表示阻塞加锁，线程会阻塞直到加到锁为止，不加到锁就会一直阻塞在这一行代码，方法也没有返回值

17.Sychronized的偏向锁、轻量级锁、重量级锁

  • 偏向锁：在锁对象的对象头中记录一下当前获取到该锁的线程ID，该线程下次又来获取这个锁就可以直接获取到。
  • 轻量级锁：由偏向锁升级而来，当一个线程获取到锁后，此时这把锁是偏向锁，如果此时又第二个线程来竞争锁，偏向锁会升级为轻量级锁，轻量级锁底层是通过自旋来实现的，并不会阻塞。
  • 重量级锁：如果自旋次数过多仍然没有获取到锁，则会升级为重量级锁，重量级锁会导致线程阻塞
  • 自旋锁：自旋锁就是线程在获取锁的过程中，不会去阻塞线程，也就无所谓唤醒线程，阻塞和唤醒这两个步骤都需要操作系统去进行的，比较耗时间，自旋锁是通过CAS获取预期的一个标记，如果没有获取到，则继续循环获取锁，如果获取到了则表示获取到了锁，这个过程线程会一直在运行中，相对而言是没有太多操作系统资源消耗，比较轻量。

18.Sychronized和ReentrantLock的区别

  • synchronized是一个关键字，ReentrantLock是一个类
  • synchronized是自动加锁和释放，ReentrantLock需要手动加锁和释放
  • synchronized的底层是JVM实现的，ReentrantLock是API层面的
  • synchronized是非公平锁，ReentrantLock可以选择公平锁和非公平锁（默认是非公平锁）
  • synchronized锁的是对象，锁信息保存在对象头中，ReentrantLock通过代码中的int类型的state标识来标识锁的状态
  • synchronized底层有一个锁升级的过程

19.并发、并行、串行之间的区别

  • 串行：一个任务执行完，才能执行下一个任务
  • 并行：两个任务同时执行
  • 并发：两个任务整体上看起来是同时执行，在底层，两个任务被拆分成了很多份，然后一个一个执行，站在更高的角度来看两个任务是同时在执行的

20.什么是守护线程？

线程分为用户线程和守护线程，用户线程就是普通线程，守护线程就是JVM的后台线程，比如垃圾回收线程就是一个守护线程，守护线程会在其他普通线程都停止运行之后自动关闭。我们可以通过设置Thread.setDaemon(true)来把一个线程设置为守护线程。守护线程其实就是JVM后台用来保证用户线程正常运行而执行一些内容的线程

21.AQS的理解？AQS如何实现重入锁？

  • AQS是一个JAVA线程同步的框架，是JDK中很多锁工具的核心实现框架
  • 在AQS中，维护了一个信号量state和一个线程组成的双向链表队列。其中，这个线程队列，就是用来给线程排队的，而state就像是一个红绿灯，用来控制排队或者放行的。在不同场景下有不同的意义。
  • 在可重入锁这个场景下，state就用来表示加锁的次数，0表示无锁，每 加一次锁，state就加1，释放锁state就减1，可重入锁只有当state为0时，才表示全部解锁了。

22.线程池为什么是先添加队列而不是创建最大线程？

当线程池中的核心线程都很忙时，如果继续往线程池中添加任务，那么任务会先放入队列，队列满了之后，才会新开线程。这就相当于一个公司本来有10个程序员，本来这10个程序员能正常处理各种需求，但是随着公司的发展，需求在慢慢的增加，这些需求也只会在待开发列表中，然后这10个程序员再从待办任务里面获取需求进程处理。只有待开发的列表满了，10名程序员处理不完这些任务了，就只能增加新员工(新开线程)。

23.线程之间是如何通讯的？

  • 线程之间可以通过共享内存或基于网络来进行通信
  • 如果是通过共享内存来通信，则需要考虑并发问题，什么时候阻塞，什么时候唤醒
  • 像java中的wait()、notify()就是阻塞和唤醒
  • 通过网络就比较简单了，通过网络连接将通信数据发送给对方，当然也要考虑到并发问题，处理方式就是加锁等方式
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