面试题-Java多线程基础、实现工具和可见性保证

前言

Java多线程部分的题目，是我根据Java Guide的面试突击版本V3.0再整理出来的，其中，我选择了一些比较重要的问题，并重新做出相应回答，并添加了一些比较重要的问题，希望对大家起到一定的帮助。

系列文章：

面试题-Java基础

面试题-Java集合

Java多线程

多线程基础

1. 编写多线程程序可能会存在的一些问题（重要）

• 安全性问题：由于编译器、硬件和运行时的机制是不可预测的，假如没有正确的同步机制，可能会产生安全性问题。
  • 原子性：一组操作未必如我们所想的是原子的，中间可能被其他线程干扰。
  • 可见性：线程对共享变量的修改，未必对其他线程是可见的。
• 活跃性问题：某个操作无法继续执行下去时，就会出现活跃性问题。比如：死锁饥饿活锁等等
• 性能问题：上下文切换开销；同步机制带来的其他开销等等

2. 线程生命周期中有哪些状态？（核查线程问题时，了解每种状态代表的含义是基础）
   1. NEW：一个线程被创建出来时，start()被调用之前，状态为NEW
   2. Runnable：调用start后，线程状态变为Runnable
      1. Running：上CPU执行中，外部不可见
      2. Ready状态：排队等待执行，外部不可见
      3. IO wait：等待IO操作，外部不可见
   3. Blocked：线程等待获取锁
   4. Waiting：
      1. TIMED_WAITING:有超时时间的等待
      2. WAITING：没有超时时间的等地啊
   5. Terminated：执行完毕，进入Terminated状态

线程状态.png

3. 线程的中断机制：如何正确的干涉线程的执行过程

   首先要明确，中断并不是停止，中断可以理解为一种通知机制。

   线程在不同的状态时，对中断的响应也不同。

   • Runnable状态：线程处于Runnable状态时，调用interrupt方法只会设置线程的中断标记位为true，需要线程在执行代码中自己判断中断标记位来得到通知。
     • 注：判断中断标记位的方法有两种：
       • isInterrupted：实例方法
       • interrupted：静态方法，会清空标记位
   • Blocked状态：线程处于Blocked状态时，调用interrupt方法只会设置线程的中断标记位，线程什么都不会做，会继续Blocked。
   • Timed_wating或Waiting：线程处于Waiting相关状态时，调用interrupt方法会设置线程的中断标记位，并且线程内部会自动监测这个中断状态，当监测到为true，会抛出InterruptedException，清空标记位，线程会重新变为Runnable状态

   总结：中断线程对Blocked方法无效，不会立即响应，线程会一直阻塞。已经在运行中的线程需要自己监测中断标记位；在Waiting状态中的线程可以自动监测标记位，通过抛出异常中断。

   特殊情况：

   当线程处于等待IO（IO wait状态）时，调用interrupt方法会设置标记位

   • 如果Channel是可中断的，会抛出ClosedByInterruptException异常
   • 如果是不可中断的，比如selector选择器，会从阻塞中立即返回

   附，讨论具体方法代码的文章：[java 中断线程的几种方式 interrupt()]

Java中的保证线程安全性的相关模型与工具

为了解决多线程编程中的线程安全性问题，Java提供了JMM内存模型和多种工具供我们选择。

synchronized关键字

可以解决什么问题？

synchronized关键字，可以保证原子性和可见性。

如何使用

synchronized关键字，可以使用在实例方法，静态方法和代码块中。

• 实例方法锁定的是this
• 静态方法锁定的是当前的Class对象。
• 代码块中可以自定义一个对象。

JVM对synchronized的性能优化

1. 偏向锁

   • 机制：如果一直是同一个线程反复申请锁，那么可以直接进入代码块，不需要做其他同步操作。

   • 适用场景：某一个线程会反复进入同步代码块，就省略了加锁操作。

2. 轻量级锁

   • 机制：当申请偏向锁失败时（有其他线程在占用），会升级，申请轻量级锁
   • 适用场景：多个线程交替执行同步代码块内容，并且有较短时间的重叠（如果没有重叠，就会一直保持偏向锁，如果重叠较长，就会导致锁升级）

3. 重量级锁

   • 机制：申请轻量级锁失败，会升级为重量级锁，首先会先自旋若干个空循环，如果循环之后还是无法获取锁，只能等待操作系统挂起
   • 适用场景：多个线程同时执行同步代码块，并且每个线程占用锁时间短（自旋一阵大部分可以成功申请到锁）。

4. 锁消除

   • 机制：JIT会通过逃逸分析自动去除不可能出现竞争的锁

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Reentrant Lock

可以解决什么问题？

和synchronized一样，Reentrant Lock也可以保证原子性和可见性。

Reentrant Lock 和synchronized的区别

首先要明确，synchronized是在JVM层面实现的，而Reentrant Lock是在Java代码层面实现的。

Reentrant Lock的性能在jdk1.5之前是要远远优于synchronized，但是Jdk1.6版本虚拟机对synchronized做了优化（就是上面讲过的偏向锁等等），使得他们的性能几乎差不多了。

既然如此，为什么还需要使用Reentrant Lock呢？因为Reentrant Lock和synchronized相比，提供了更丰富的功能。

可中断锁等待

在前面多线程基础部分，提到过中断。当线程处于BLOCKED状态时（仅指使用synchronized关键字），interrupt函数只能设置中断标记位为true，但是线程依旧保持在阻塞状态。如果使用Reentrant Lock，在interrupt调用后，可以抛出InterruptedException响应通知，并且线程从阻塞状态中返回。

锁申请支持设置超时时间

可以使用tryLock或者待超时参数的tryLock，成功会返回true，失败返回false。不会像synchronized，如果一直申请不到锁，就会持续阻塞。

公平锁

synchronized的实现是非公平的，当锁可用时，会从等待队列中随机选择一个线程。而Reentrant Lock可以设置公平模式，保证不会出现饥饿现象。

可等待不同条件

synchronized的wait方法的实现机制是，把该线程放入锁对象的等待队列中，这个队列只有一个。如果需要区分等待的条件，就无法实现了。Reentrant Lock可以配合Condition使用，区分不同的等待条件，在需要等待的条件上wait就可以。

Volatile

可以解决什么问题？

Volatile只能保证可见性。

Volatile

可以解决什么问题？

Volatile只能保证可见性。

可见性保证的实现原理

上面提到了锁和volatile工具都可以保证可见性，那么可见性究竟是如何实现的呢？

JMM内存模型

主内存和线程的本地内存以及通信过程

JMM定义，线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程在自己的本地内存中持有一个共享变量的副本。主内存不仅仅是普通意义上的内存，而是一个抽象的概念，主要包括了编译器缓存、寄存器等硬件相关的优化。当两个线程想要通信，线程A需要把自己本地内存中的共享变量刷新到主内存中，线程B从主内存中获取共享变量的值。示意图如下：

内存模型.png

总结：JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。

JMM具体是如何控制主内存和本地内存的交互呢？

我们知道，无法保证可见性的根源源于重排序，在现代PC中，存在着两种重排序。

1. 编译器重排序

2. 处理器重排序

那么要保证可靠性，禁止重排序就可以了。

对于编译器重排序，JMM的编译器重排序规则会直接禁止编译器重排序。对于处理器重排序，JMM会在某些指令处，插入内存屏障来禁止处理器重排序。

Happens-before-更友好的方式来描述操作之间的内存可见性

假如没有Happens-before原则，那么作为程序员的我们，需要去详细了解JMM的编译器重排序规则和内存屏障相关的细节，Happens-before原则，给程序员提供了一个更加友好易懂的视图，方便理解。

具体来说，如果A存在对于B的Happens-before关系，那么A操作一定对B操作可见。下面是几个比较重要的明细原则：

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens- before 于该线程中的任意后续操作。

• 监视器锁规则：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。

• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens- before 于任意后续对这个volatile域的读。

• 传递性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。