（备战春招，每天进步亿点点）常见面试题总结——Java并发（2）
备战春招，每天进步亿点点，抓紧学习Java并发篇（2）
文章目录
- JVM对synchronized的优化有哪些？
- synchronized 锁能降级吗？
- ThreadLocal是什么?
- ThreadLocal的实现原理？
- 了解ReentrantLock吗？
- ReadWriteLock是什么？
- 为什么要用线程池？
- 说下线程池核心参数？
- 线程池执行任务的流程？
- 说一说什么是AQS？
- AQS使用了哪些设计模式？
- 了解AQS中同步队列的数据结构吗？
- 了解AQS 对资源的共享方式吗？
- AQS 组件了解吗?
JVM对synchronized的优化有哪些？
从最近几个jdk版本中可以看出，Java的开发团队一直在对synchronized优化，其中最大的一次优化就是在jdk6的时候，新增了两个锁状态，通过锁消除、锁粗化、自旋锁等方法使用各种场景，给synchronized性能带来了很大的提升。
1. 锁膨胀
上面讲到锁有四种状态，并且会因实际情况进行膨胀升级，其膨胀方向是：无锁——>偏向锁——>轻量级锁——>重量级锁，并且膨胀方向不可逆。
偏向锁
一句话总结它的作用：减少统一线程获取锁的代价。在大多数情况下，锁不存在多线程竞争，总是由同一线程多次获得，那么此时就是偏向锁。
核心思想：
如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word的结构也就变为偏向锁结构，当该线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程只需要检查Mark Word的锁标记位为偏向锁以及当前线程ID等于Mark Word的ThreadID即可，这样就省去了大量有关锁申请的操作。
轻量级锁
轻量级锁是由偏向锁升级而来，当存在第二个线程申请同一个锁对象时，偏向锁就会立即升级为轻量级锁。注意这里的第二个线程只是申请锁，不存在两个线程同时竞争锁，可以是一前一后地交替执行同步块。
重量级锁
重量级锁是由轻量级锁升级而来，当同一时间有多个线程竞争锁时，锁就会被升级成重量级锁，此时其申请锁带来的开销也就变大。
重量级锁一般使用场景会在追求吞吐量，同步块或者同步方法执行时间较长的场景。
2.锁消除
消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，在JIT编译时，对运行上下文进行扫描，去除不可能存在竞争的锁。比如下面代码的method1和method2的执行效率是一样的，因为object锁是私有变量，不存在所得竞争关系。
public class MONE {
public void method1(){
Object obj1 = new Object();
synchronized (obj1){
//执行同步代码
System.out.println("hello");
}
}
//优化后的方法，和上面method1执行效率一样
public void method2(){
Object obj1 = new Object();
System.out.println("hello");
}
}
3.锁粗化
锁粗化是虚拟机对另一种极端情况的优化处理，通过扩大锁的范围，避免反复加锁和释放锁。比如下面method3经过锁粗化优化之后就和method4执行效率一样了。
public class MONE {
public void method3(){
for (int i = 0;i<1000;i++){
synchronized (MONE.class){
System.out.println("hello");
}
}
}
//锁粗化之后与上面一样
public void method4(){
synchronized (MONE.class){
for(int i = 0;i<1000;i++){
System.out.println("hello");
}
}
}
}
4. 自旋锁与自适应自旋锁
轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。
自旋锁：许多情况下，共享数据的锁定状态持续时间较短，切换线程不值得，通过让线程执行循环等待锁的释放，不让出CPU。如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式。但是它也存在缺点：如果锁被其他线程长时间占用，一直不释放CPU，会带来许多的性能开销。
自适应自旋锁： 这种相当于是对上面自旋锁优化方式的进一步优化，它的自旋的次数不再固定，其自旋的次数由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定，这就解决了自旋锁带来的缺点。
为什么要引入偏向锁和轻量级锁？为什么重量级锁开销大？
重量级锁底层依赖于系统的同步函数来实现，在 linux 中使用 pthread_mutex_t（互斥锁）来实现。
这些底层的同步函数操作会涉及到：操作系统用户态和内核态的切换、进程的上下文切换，而这些操作都是比较耗时的，因此重量级锁操作的开销比较大。
而在很多情况下，可能获取锁时只有一个线程，或者是多个线程交替获取锁，在这种情况下，使用重量级锁就不划算了，因此引入了偏向锁和轻量级锁来降低没有并发竞争时的锁开销。
synchronized 锁能降级吗？
可以
具体的触发时机：在全局安全点（safepoint）中，执行清理任务的时候会触发尝试降级锁。
当锁降级时，主要进行了以下操作：
1.恢复锁对象的 markword 对象头；
2.重置 ObjectMonitor，然后将该 ObjectMonitor 放入全局空闲列表，等待后续使用。
ThreadLocal是什么?
ThreadLocal，即线程本地变量。如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地拷贝，多个线程操作这个变量的时候，实际是操作自己本地内存里面的变量，从而起到线程隔离的作用，避免了线程安全问题。
ThreadLocal的应用场景有
- 数据库连接池
- 会话管理中使用
ThreadLocal的实现原理？
- Thread类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals，即每个线程都有一个属于自己的ThreadLocalMap。
- ThreadLocalMap内部维护着Entry数组，每个Entry代表一个完整的对象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。
- 每个线程在往ThreadLocal里设置值的时候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，读也是以某个ThreadLocal作为引用，在自己的map里找对应的key，从而实现了线程隔离。
ThreadLocal内存结构图：
由结构图是可以看出：
- Thread对象中持有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap的成员变量。
- ThreadLocalMap内部维护了Entry数组，每个Entry代表一个完整的对象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。
了解ReentrantLock吗？
ReetrantLock是一个可重入的独占锁，主要有两个特性，一个是支持公平锁和非公平锁，一个是可重入。 ReetrantLock实现依赖于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)。
ReetrantLock主要依靠AQS维护一个阻塞队列，多个线程对加锁时，失败则会进入阻塞队列。等待唤醒，重新尝试加锁。
ReadWriteLock是什么？
首先ReentrantLock某些时候有局限，如果使用ReentrantLock，可能本身是为了防止线程A在写数据、线程B在读数据造成的数据不一致，但这样，如果线程C在读数据、线程D也在读数据，读数据是不会改变数据的，没有必要加锁，但是还是加锁了，降低了程序的性能。
因为这个，才诞生了读写锁ReadWriteLock。ReadWriteLock是一个读写锁接口，ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock接口的一个具体实现，实现了读写的分离，读锁是共享的，写锁是独占的，读和读之间不会互斥，读和写、写和读、写和写之间才会互斥，提升了读写的性能
为什么要用线程池？
线程池提供了一种限制和管理资源（包括执行一个任务）。 每个线程池还维护一些基本统计信息，例如已完成任务的数量。
使用线程池的好处：
- 降低资源消耗。 通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
- 提高响应速度。 当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
- 提高线程的可管理性。 线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。
说下线程池核心参数？
- corePoolSize ： 核心线程大小。线程池一直运行，核心线程就不会停止。
- maximumPoolSize ：线程池最大线程数量。非核心线程数量=maximumPoolSize-corePoolSize
- keepAliveTime ：非核心线程的心跳时间。如果非核心线程在keepAliveTime内没有运行任务，非核心线程会消亡。
- workQueue ：阻塞队列。ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue等，用来存放线程任务。
- defaultHandler ：饱和策略。ThreadPoolExecutor类中一共有4种饱和策略。通过实现RejectedExecutionHandler接口。
1.AbortPolicy ： 线程任务丢弃报错。默认饱和策略。
2.DiscardPolicy ： 线程任务直接丢弃不报错。
3.DiscardOldestPolicy ： 将workQueue队首任务丢弃，将最新线程任务重新加入队列执行。
4.CallerRunsPolicy ：线程池之外的线程直接调用run方法执行。 - ThreadFactory ：线程工厂。新建线程工厂。
线程池执行任务的流程？
说一说什么是AQS？
- AQS 是一个锁框架，它定义了锁的实现机制，并开放出扩展的地方，让子类去实现，比如我们在 lock 的时候，AQS 开放出 state 字段，让子类可以根据 state 字段来决定是否能够获得锁，对于获取不到锁的线程 AQS 会自动进行管理，无需子类锁关心，这就是 lock 时锁的内部机制，封装的很好，又暴露出子类锁需要扩展的地方；
- AQS 底层是由同步队列 + 条件队列联手组成，同步队列管理着获取不到锁的线程的排队和释放，条件队列是在一定场景下，对同步队列的补充，比如获得锁的线程从空队列中拿数据，肯定是拿不到数据的，这时候条件队列就会管理该线程，使该线程阻塞；
- AQS 围绕两个队列，提供了四大场景，分别是：获得锁、释放锁、条件队列的阻塞，条件队列的唤醒，分别对应着 AQS 架构图中的四种颜色的线的走向。
AQS使用了哪些设计模式？
AQS同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：
- 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
- 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。
AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法：
isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
了解AQS中同步队列的数据结构吗？
- 当前线程获取同步状态失败，同步器将当前线程机等待状态等信息构造成一个Node节点加入队列，放在队尾，同步器重新设置尾节点
- 加入队列后，会阻塞当前线程
- 同步状态被释放并且同步器重新设置首节点，同步器唤醒等待队列中第一个节点，让其再次获取同步状态
了解AQS 对资源的共享方式吗？
AQS定义两种资源共享方式
- Exclusive
（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
公平锁： 按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
非公平锁： 当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的 - Share（共享）：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。
ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。
AQS 组件了解吗?
- Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问： synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。
- CountDownLatch （倒计时器）： CountDownLatch是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。
- CyclicBarrier(循环栅栏)： CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
今天的常见面试题总结（Java并发篇（2））就这些了，如果能帮助到你，还望三连支持一下，后续会亿点点更新
