多线程面试题汇总(一)

本文是作者整理的个人笔记，文中可能引用到其他人的成果但是未指明出处，如有不妥，请指正，谢谢！

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概念题

1、线程的基本概念、线程的基本状态与状态之间的关系？

线程是进程里面一个执行上下文，或者是执行序列。线程是进程级别上的多道编程。同一进程的多个线程共享一块内存空间和一组系统资源，线程本身有一个供程序执行时的堆栈。线程之间切换快，无需陷入内核态。

线程状态

阻塞状态分分为三种：等待阻塞（wait）、同步阻塞( 加锁 )、其他阻塞（睡眠）

新建状态

当用new操作符创建一个线程时。此时程序还没有开始运行线程中的代码。

就绪状态

一个新创建的线程并不自动开始运行，要执行线程，必须调用线程的start（）方法。当线程对象调用start()方法即启动了线程，start()方法创建线程运行的系统资源，并调度线程运行run（）方法。当start（）方法返回后，线程就处于就绪状态。处于就绪状态的线程并不一定立即运行run()方法，线程还必须同其他线程竞争CPU时间，只有获得CPU时间才可以运行线程。因为在单CPU的计算机系统中，不可能同时运行多个线程，一个时刻仅有一个线程处于运行状态。因此此时可能有多个线程处于就绪状态。对多个处于就绪状态的线程是由Java运行时系统的线程调度程序来调度的。

运行状态（runing）

当线程获得 CPU时间后，它才进图运行状态，真正开始执行run()方法。

阻塞状态（blocked）

线程运行过程中，可能由于各种原因进入阻塞状态：

①线程通过调用sleep方法进入睡眠状态；

②线程调用一个在I/O上被阻塞的操作，即该操作在输入输出操作完成之前不会返回到它的调用者；

③线程试图得到一个锁，而该锁正被其他线程持有；

④线程在等待某个触发条件；

所谓阻塞状态是正在运行的线程没有运行结束，暂时让出CPU，这时其他处于就绪状态的线程就可以获得CPU时间，进入运行状态。

死亡状态（dead）

有两个原因会导致线程死亡：

①run方法正常退出而自然死亡；

②一个未捕获的异常终止了run方法而使线程猝死；

为了确定线程在当前是否存活着（就是要么是可运行的，要么是被阻塞了），需要使用isAlive方法，如果是可运行或被阻塞，这个方法返回true；如果线程仍旧是new状态且不是可运行的，或者线程死亡了，则返回false。

2、进程与线程的区别：

一个进程至少有一个主执行线程，它无需由用户去主动创建，是由系统自动创建的。用户根据需要在应用程序中创建其他线程，多个线程并发地运行在同一个进程。一个进程汇总的所有线程都在该进程的虚拟地址空间汇总，共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源，所以线程间的通讯非常方便，多线程技术的应用也较为广泛。

基于进程的多任务处理是程序的并发执行。基于线程的多任务处理是同一程序的片段的并发执行；

地址空间：同一进程的线程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间；

资源拥有：同一进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu等，但是进程之间的资源是独立的；

一个进程奔溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃则整个进程都死掉，所以多进程要比多线程健壮；

进程切换时，消耗资源大，效率高，所以涉及到频繁切换时，使用线程要好于进程；

执行过程：每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存于应用程序中，有应用程序提供多个线程执行控制。

线程是处理器调度的基本单位，但进程不是。

3、多线程有几种实现方法

C++创建多线程的三种方式：

1.CreateThread()

CreateThread()是windows的API函数，提供操作系统级别的创建线程的操作，且仅限于工作者线程。不调用MFC和RTL函数（标准C语言函数），即只调用win32API时，可以 用CreateThread。在使用过程中要考虑到进程捡的同步与互斥关系（防止死锁）。

线程函数定义为： DWORD WINAPI _yourThreradFun(LPVOID)

头文件

创建线程API：

 

 1 HANDLE CreateThread(
 2     __in   SEC_ATTRS
 3     SecurityAttributes,    //线程安全属性
 4     __in   ULONG
 5     StackSize,        // 堆栈大小 
 6     __in   SEC_THREAD_START
 7     StartFunction,    // 线程函数
 8     __in   PVOID
 9     ThreadParameter,  // 线程参数
10     __in   ULONG
11     CreationFlags,    // 线程创建属性
12     __out  PULONG
13     ThreadId          // 线程ID
14     );

使用步骤:

HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, Fun, NULL, 0, NULL);
CloseHandle(hThread);

2、互斥API：互斥量实现

 

 1 HANDLE CreateMutex(
 2     LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
 3     BOOL bInitialOwner,                       // 指定该资源初始是否归属创建它的进程
 4     LPCTSTR lpName                            // 指定资源的名称      
 5     );
 6 
 7 BOOL ReleaseMutex(
 8     HANDLE hMutex   // 该函数用于释放一个独占资源，进程一旦释放该资源，该资源就不再属于它了
 9     );
10 
11 DWORD WaitForSingleObject(
12     HANDLE hHandle,        // 指定所申请的资源的句柄
13     DWORD dwMilliseconds   // 一般指定为INFINITE，表示如果没有申请到资源就一直等待该资源
14     );

3、互斥API：临界区实现

1 CRITICAL_SECTION cs;
2 InitializeCriticalSection(&cs);
3 EnterCriticalSection(&cs);
4 LeaveCriticalSection(&cs);
5 DeleteCriticalSection(&cs);

 

例子：

 

 1 #include    
 2 #include    
 3 using namespace std;
 4 
 5 HANDLE hMutex;
 6 
 7 DWORD WINAPI Fun(LPVOID lpParamter)
 8 {
 9     while (1) {
10         WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
11         cout << "Fun display!" << endl;
12         Sleep(1000);
13         ReleaseMutex(hMutex);
14     }
15 }
16 
17 int main()
18 {
19     HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, Fun, NULL, 0, NULL);
20     hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, "screen");
21     CloseHandle(hThread);
22     while (1) {
23         WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
24         cout << "main display!" << endl;
25         Sleep(2000);
26         ReleaseMutex(hMutex);
27     }
28 
29     return 0;
30 }

 

4、多线程同步和互斥实现方式

当有多个线程的时候，经常需要去同步这些线程以访问同一个数据或资源。例如，假设有一个程序，其中一个线程用于把文件读到内存，而另一个线程用于统计文件中的字符数。当然，在把整个文件调入内存之前，统计它的计数是没有意义的。但是，由于每个操作都有自己的线程，操作系统会把两个线程当作是互不相干的任务分别执行，这样就可能在没有把整个文件装入内存时统计字数。为解决此问题，你必须使两个线程同步工作。

所谓同步，是指在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。如果用对资源的访问来定义的话，同步是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

所谓互斥，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。如果用对资源的访问来定义的话，互斥某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

实现方式：

线程间的同步方法大体可分为两类：用户模式和内核模式。内核模式就是指利用系统内核对象的单一性来进行同步，使用时需要切换内核态与用户态，而用户模式就是不需要切换到内核态，只在用户态完成操作。

用户模式下的方法有：原子操作（例如一个单一的全局变量），临界区。

内核模式下的方法有：事件，信号量，互斥量。

1、临界区:通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问(可能造成竞争的共享资源)。 
2、互斥量:为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。 
3、信号量:为控制一个具有有限数量用户资源而设计。 
4、事 件:用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

同步的目的：多线程程序 的执行结果有可能是不确定的---》为了消除不确定，产生了线程同步，即就是不管线程之间的执行如何穿梭，其运行结果都是正确的。

5、多线程同步和互斥有何异同，在什么情况下分别使用它们？

线程同步是指线程之间所具有的一种制约关系，一个线程的执行依赖另一个线程的消息，当它没有得到另一个线程的消息时应等待，直到消息到达时才被唤醒。

线程互斥是指对于共享的进程系统资源，在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步（下文统称为同步）。

线程同步解决多线程并发问题：

几种内核对象中，除了互斥量，没有任何一个会记住自己是哪个线程等待成功的。

互斥量和关键段的比较：

（1）关键段只适用于同一个进程，互斥量可适用与不同的进程

（2）关键段的效率更高

（3）关键段不安全，而互斥量更安全；

假如把整条道路看成是一个【进程】的话，那么马路中间白色虚线分隔开来的各个车道就是进程中的各个【线程】了。
　　①这些线程(车道)共享了进程(道路)的公共资源(土地资源)。
　　②这些线程(车道)必须依赖于进程(道路)，也就是说，线程不能脱离于进程而存在(就像离开了道路，车道也就没有意义了)。
　　③这些线程(车道)之间可以并发执行(各个车道你走你的，我走我的)，也可以互相同步(某些车道在交通灯亮时禁止继续前行或转弯，必须等待其它车道的车辆通行完毕)。
　　④这些线程(车道)之间依靠代码逻辑(交通灯)来控制运行，一旦代码逻辑控制有误(死锁，多个线程同时竞争唯一资源)，那么线程将陷入混乱，无序之中。
　　⑤这些线程(车道)之间谁先运行是未知的，只有在线程刚好被分配到CPU时间片(交通灯变化)的那一刻才能知道。
　　注：
　　由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。