Java面试题——多线程高并发

1. 什么是线程？
   线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。我们通过多线程编程，能更高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度，从而显著提高系统资源的利用率和吞吐量。

2. 线程和进程有什么区别？
   i)：在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，也是抢占处理机的调度单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。在多线程OS中，进程不是一个可执行的实体。
   ii)：对于地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。线程是进程的子集，一个进程可以有很多线程。
   iii)：通信：不同进程之间通过IPC（进程间通信）接口进行通信。同一进程的线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。
   iv)：调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

3. Java中有哪些方式可以实现线程？哪种更好？
   在语言层面有两种方式。可以继承java.lang.Thread线程类，但是它需要调用java.lang.Runnable接口来执行。由于线程类本身就是调用的Runnable接口，所以你可以继承java.lang.Thread 类或者直接调用Runnable接口来重写run()方法实现线程。
   如果是想实现多继承，则调用Runnable接口。

4. sleep()和wait()有什么区别？
   sleep是线程类（Thread）的方法，导致此线程暂停执行指定时间，给执行机会给其他线程，但是监控状态依然保持，到时后会自动恢复。调用sleep不会释放对象锁。
   wait是Object类的方法，对此对象调用wait方法导致本线程放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象发出notify方法（或notifyAll）后本线程才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。
   see more：http://blog.csdn.net/HaixWang/article/details/79376181

sleep是线程类（Thread）的方法，导致此线程暂停执行指定时间，给执行机会给其他线程，但是监控状态依然保持，到时后会自动恢复。调用sleep不会释放对象锁。将执行机会(CPU)让给其他线程，但是对象的锁依然保持，因此休眠时间结束后会自动恢复。

wait是Object类的方法，对此对象调用wait方法导致本线程放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象发出notify方法（或notifyAll）后本线程才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。如果线程重新获得对象的锁就可以进入就绪状态（还是等待）
see more：http://blog.csdn.net/HaixWang/article/details/79376181

在JDK1.2以前的版本如果要实现线程的暂停、恢复和停止的方法分别是suspend()、resume()、stop()。但是从JDK1.2以后这些方法已经被遗弃

共同点：都抛出InterruptedException异常

yield方法会临时暂停当前正在执行的线程，来让有同样优先级的正在等待的线程有机会执行。**如果没有正在等待的线程，或者所有正在等待的线程的优先级都比较低，那么该线程会继续运行。**执行了yield方法的线程什么时候会继续运行由线程调度器来决定，不同的厂商可能有不同的行为。yield方法不保证当前的线程会暂停或者停止，(也就是说不保证时效)，但是可以保证当前线程在调用yield方法时会放弃CPU。

5. 为什么需要并行设计？
   业务需求：业务上需要多个逻辑单元，比如多个客户端要发送请求
   性能需求：在多核OS中，使用多线程并发执行性能会比单线程执行的性能好很多

6. 并发和并行的区别：
   解释一：并行是指两个或者多个线程在同一时刻发生；而并发是指两个或多个线程在同一时间间隔发生（交替运行）。
   解释二：并行是在不同实体上的多个事件（多个JVM），并发是在同一实体上的多个事件（一个JVM）。
   并行又分在一台处理器上同时处理多个任务，在多台处理器上同时处理多个任务。如hadoop分布式集群

7. 进程死锁的四个必要条件以及解除死锁的基本策略：
   （1）互斥条件：线程对资源的访问是排他性的，如果一个线程对占用了某资源，那么其他线程必须处于等待状态，直到资源被释放。
   （2）请求和保持条件：线程T1至少已经保持了一个资源R1占用,但又提出对另一个资源R2请求，而此时，资源R2被其他线程T2占用，于是该线程T1也必须等待，但又对自己保持的资源R1不释放。
   （3）不可剥夺条件：是指进程已获得的资源，在未完成使用之前，不可被剥夺，只能在使用完后自己释放
   （4）环路等待条件：在死锁发生时，必然存在一个“进程-资源环形链”。
   1.预防死锁：通过设置一些限制条件，去破坏产生死锁的必要条件
   2.避免死锁：在资源分配过程中，使用某种方法避免系统进入不安全的状态，从而避免发生死锁
   3.检测死锁：允许死锁的发生，但是通过系统的检测之后，采取一些措施，将死锁清除掉
   4.解除死锁：该方法与检测死锁配合使用

8. 解释一下活锁：
   是指线程1可以使用资源，但它很礼貌，让其他线程先使用资源，线程2也可以使用资源，但它很绅士，也让其他线程先使用资源。释放完后，双方发现资源满足需求了，又都去强占资源，但是又只拿到一部分，就这样，资源在各个线程间一直往复。这样你让我，我让你，最后两个线程都无法使用资源。

9. Thread 类中的start() 和 run() 方法有什么区别？
   i)：首先，start方法内部会调用run方法。
   ii)：start与run方法的主要区别在于当程序调用start方法一个新线程将会被创建，并且在run方法中的代码将会在新线程上运行，然而在你直接调用run方法的时候，程序并不会创建新线程，run方法内部的代码将在当前线程上运行。大多数情况下调用run方法是一个bug或者变成失误。因为调用者的初衷是调用start方法去开启一个新的线程，这个错误可以被很多静态代码覆盖工具检测出来，比如与fingbugs. 如果你想要运行需要消耗大量时间的任务，你最好使用start方法，否则在你调用run方法的时候，你的主线程将会被卡住。
   iii)：还有一个区别在于，一但一个线程被启动，你不能重复调用该thread对象的start方法，调用已经启动线程的start方法将会报IllegalStateException异常， 而你却可以重复调用run方法。

10. 概括的解释下线程的几种可用状态。
    答：
    线程在执行过程中，可以处于下面几种状态：

• 创建（New）：新创建了一个线程对象。
• 就绪(Runnable): 线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取cpu 的使用权（或者说cpu时间片）
• 运行(Running)：可运行状态(runnable)的线程获得了cpu 时间片（timeslice） ，执行程序代码
• 阻塞(Waiting): 阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了cpu 使用权，也即让出了cpu timeslice，暂时停止运行。阻塞的情况分三种：
  (一). 等待阻塞：运行(running)的线程执行o.wait()方法，JVM会把该线程放入等待队列(waitting queue)中。
  (二). 同步阻塞：运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池(lock pool)中。
  (三). 其他阻塞：运行(running)的线程执行Thread.sleep(long ms)[监控状态依然保持，到时后会自动恢复]或t.join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入可运行(runnable)状态.阻塞状态又有多种情况，可能是因为调用wait()方法进入等待池，也可能是执行同步方法或同步代码块进入等锁池，或者是调用了sleep()方法或join()方法等待休眠或其他线程结束，或是因为发生了I/O中断。
• 死亡(Dead)：线程完成了执行，或者被强制结束执行。线程run()、main() 方法执行结束，或者因异常退出了run()方法，则该线程结束生命周期。死亡的线程不可再次复生。在一个死去的线程上调用start()方法，会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。
  **补充：**可运行状态
  调用线程的start()方法，此线程进入可运行状态。
  当前线程sleep()方法结束，其他线程join()结束，等待用户输入完毕，某个线程拿到对象锁，这些线程也将进入可运行状态。
  当前线程时间片用完了，调用当前线程的yield()方法，当前线程进入可运行状态。
  锁池里的线程拿到对象锁后，进入可运行状态。

11. CyclicBarrier 和 CountDownLatch有什么不同？
    CyclicBarrier 和 CountDownLatch 都可以用来让一组线程等待其它线程。与 CyclicBarrier 不同的是，CountdownLatch 不能重新使用。点此查看更多信息和示例代码。（http://javarevisited.blogspot.com/2012/07/cyclicbarrier-example-java-5-concurrency-tutorial.html）

12. Java内存模型是什么？
    Java内存模型规定和指引Java程序在不同的内存架构、CPU和操作系统间有确定性地行为。它在多线程的情况下尤其重要。Java内存模型对一个线程所做的变动能被其它线程可见提供了保证，它们之间是先行发生关系。这个关系定义了一些规则让程序员在并发编程时思路更清晰。比如，先行发生关系确保了：
    线程内的代码能够按先后顺序执行，这被称为程序次序规则。
    对于同一个锁，一个解锁操作一定要发生在时间上后发生的另一个锁定操作之前，也叫做管程锁定规则。
    前一个对volatile的写操作在后一个volatile的读操作之前，也叫volatile变量规则。
    一个线程内的任何操作必需在这个线程的start()调用之后，也叫作线程启动规则。
    一个线程的所有操作都会在线程终止之前，线程终止规则。
    一个对象的终结操作必需在这个对象构造完成之后，也叫对象终结规则。
    可传递性
    volatile不具备原子性,有效阻止指令重排序。

13. Java中的volatile 变量是什么？
    volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。在Java并发程序缺少同步类的情况下，多线程对成员变量的操作对其它线程是透明的。volatile变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生，就是上一题的volatile变量规则。查看更多volatile的相关内容。（http://javarevisited.blogspot.com/2011/06/volatile-keyword-java-example-tutorial.html）

14. Java线程池
    Java通过Executors提供四种线程池，分别为：

• newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。
• newFixedThreadPool 创建一个指定大小的线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
• newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
• newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

15. 线程的共享资源和私有资源
    线程共享的环境包括：进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。

线程拥有这许多共性的同时，还拥有自己的个性。有了这些个性，线程才能实现并发性。这些个性包括：

1.线程ID
  每个线程都有自己的线程ID，这个ID在本进程中是唯一的。进程用此来标识线程。

2.寄存器组的值
   由于线程间是并发运行的，每个线程有自己不同的运行线索，当从一个线程切换到另一个线程上时，必须将原有的线程的寄存器集合的状态保存，以便将来该线程在被重新切换到时能得以恢复。

3.线程的堆栈
   堆栈是保证线程独立运行所必须的。
   线程函数可以调用函数，而被调用函数中又是可以层层嵌套的，所以线程必须拥有自己的函数堆栈，使得函数调用可以正常执行，不受其他线程的影响。

4.错误返回码
   由于同一个进程中有很多个线程在同时运行，可能某个线程进行系统调用后设置了errno值，而在该线程还没有处理这个错误，另外一个线程就在此时被调度器投入运行，这样错误值就有可能被修改。所以，不同的线程应该拥有自己的错误返回码变量。

5.线程的信号屏蔽码
   由于每个线程所感兴趣的信号不同，所以线程的信号屏蔽码应该由线程自己管理。但所有的线程都共享同样的信号处理器。

6.线程的优先级
   由于线程需要像进程那样能够被调度，那么就必须要有可供调度使用的参数，这个参数就是线程的优先级。

16. 自旋锁

互斥同步的开销都很大，并且，在大部分场景中，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。自旋锁的思想是让一个线程在请求一个共享数据的锁时**执行忙循环（自旋）**一段时间，如果在这段时间内能获得锁，就可以避免进入阻塞状态。

自选锁虽然通过避免进入阻塞状态能减少开销，但是它需要进行忙循环操作占用 CPU 时间，所以它只适用于共享数据的锁定状态很短的场景。

在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁（自旋的时间不再固定），由前一次在同一个锁上的自旋次数及锁的拥有者的状态来决定。

17. 怎么检测一个线程是否拥有锁
    java.lang.Thread中有一个方法叫holdsLock()，它返回true如果当且仅当当前线程拥有某个具体对象的锁。

18. volatile 与 synchronized 的比较
    volatile主要用在多个线程感知实例变量被更改了场合，从而使得各个线程获得最新的值。它强制线程每次从主内存中讲到变量，而不是从线程的私有内存中读取变量，从而保证了数据的可见性。
    关于synchronized，可参考：JAVA多线程之Synchronized关键字–对象锁的特点
    比较：
    ①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
    ②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。
    synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。