面试多线程八股文十问十答第二期

面试多线程八股文十问十答第二期

作者：程序员小白条，个人博客

相信看了本文后，对你的面试是有一定帮助的！

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1.进程和线程的区别

1. 概念不同：进程是操作系统中的一个独立执行单元，拥有独立的内存空间，可以包含多个线程；而线程是进程中的一个执行单元，与同一进程中的其他线程共享内存空间。
2. 调度方式不同：进程是由操作系统进行调度的，操作系统负责分配进程所需的资源，如内存、CPU时间等；线程则是由进程内的调度器进行调度的，同一进程中的多个线程共享进程的资源，如内存、文件句柄等。
3. 资源占用不同：进程独占系统资源，包括内存空间、文件句柄、网络端口等，而线程与同一进程中的其他线程共享这些资源，因此在资源占用上，线程比进程更轻量级。
4. 上下文切换成本不同：进程间的切换需要进行上下文切换，涉及到内存状态的保存和恢复，因此成本较高；而线程间的切换成本相对较低，只需要保存和恢复少量的寄存器状态。
5. 通信方式不同：进程之间通信一般需要使用操作系统提供的进程间通信机制，如管道、消息队列、共享内存等；而线程之间通信一般可以通过共享内存、管道、消息队列等方式，但更常用的是使用Java提供的高级线程间通信机制，如wait()/notify()、Lock、Condition等。

进程：程序是静止的，进程实体的运行过程就是进程，是系统进行资源分配的基本单位

进程的特征：并发性、异步性、动态性(最基本)、独立性、（结构性)

线程：线程是属于进程的，是一个基本的 CPU 执行单元，是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是系统独立调度的基本单位，线程本身不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源

2.进程的通信方式

重要的进程间通信方式：**管道、消息队列、**共享内存、信号量、信号、Socket。

$ ps auxf | grep mysql

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道，它的功能是将前一个命令（ps auxf）的输出，作为后一个命令（grep mysql）的输入，从这功能描述，可以看出管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。

同时，我们得知上面这种管道是没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。

管道还有另外一个类型是命名管道，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。

在使用命名管道前，先需要通过 mkfifo 命令来创建，并且指定管道名字：

$ mkfifo myPipe

$ echo "hello" > myPipe  // 将数据写进管道
                         // 停住了 ...
$ cat < myPipe  // 读取管道里的数据
hello

管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。当然，它的好处，自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。

消息队列

前面说到管道的通信方式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。

对于这个问题，消息队列的通信模式就可以解决。比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

再来，消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。

消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。

消息这种模型，两个进程之间的通信就像平时发邮件一样，你来一封，我回一封，可以频繁沟通了。

但邮件的通信方式存在不足的地方有两点，一是通信不及时，二是附件也有大小限制，这同样也是消息队列通信不足的点。

消息队列不适合比较大数据的传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制，同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。

消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。共享内存

消息队列的读取和写入的过程，都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。那共享内存的方式，就很好的解决了这一问题。

现代操作系统，对于内存管理，采用的是虚拟内存技术，也就是每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。所以，即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是一样的，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。

信号量用了共享内存通信方式，带来新的问题，那就是如果多个进程同时修改同一个共享内存，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。

为了防止多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制。

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：

一个是 P 操作，这个操作会把信号量减去 -1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。另一个是 V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；P 操作是用在进入共享资源之前，V 操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。

信号上面说的进程间通信，都是常规状态下的工作模式。对于异常情况下的工作模式，就需要用「信号」的方式来通知进程。

信号跟信号量虽然名字相似度 66.66%，但两者用途完全不一样，就好像 Java 和 JavaScript 的区别。

在 Linux 操作系统中， 为了响应各种各样的事件，提供了几十种信号，分别代表不同的意义。我们可以通过 kill -l 命令，查看所有的信号：

$ kill -l
 1) SIGHUP       2) SIGINT       3) SIGQUIT      4) SIGILL       5) SIGTRAP
 6) SIGABRT      7) SIGBUS       8) SIGFPE       9) SIGKILL     10) SIGUSR1
11) SIGSEGV     12) SIGUSR2     13) SIGPIPE     14) SIGALRM     15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT   17) SIGCHLD     18) SIGCONT     19) SIGSTOP     20) SIGTSTP
21) SIGTTIN     22) SIGTTOU     23) SIGURG      24) SIGXCPU     25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM   27) SIGPROF     28) SIGWINCH    29) SIGIO       30) SIGPWR
31) SIGSYS      34) SIGRTMIN    35) SIGRTMIN+1  36) SIGRTMIN+2  37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4  39) SIGRTMIN+5  40) SIGRTMIN+6  41) SIGRTMIN+7  42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9  44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9  56) SIGRTMAX-8  57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6  59) SIGRTMAX-5  60) SIGRTMAX-4  61) SIGRTMAX-3  62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1  64) SIGRTMAX

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。

1.执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。Core 的意思是 Core Dump，也即终止进程后，通过 Core Dump 将当前进程的运行状态保存在文件里面，方便程序员事后进行分析问题在哪里。

2.捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时，我们就执行相应的信号处理函数。

3.忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程。

Socket前面提到的管道、消息队列、共享内存、信号量和信号都是在同一台主机上进行进程间通信，那要想跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。

实际上，Socket 通信不仅可以跨网络与不同主机的进程间通信，还可以在同主机上进程间通信。

我们来看看创建 socket 的系统调用：

int socket(int domain, int type, int protocal)

三个参数分别代表：

domain 参数用来指定协议族，比如 AF_INET 用于 IPV4、AF_INET6 用于 IPV6、AF_LOCAL/AF_UNIX 用于本机；type 参数用来指定通信特性，比如 SOCK_STREAM 表示的是字节流，对应 TCP、SOCK_DGRAM 表示的是数据报，对应 UDP、SOCK_RAW 表示的是原始套接字；protocal 参数原本是用来指定通信协议的，但现在基本废弃。因为协议已经通过前面两个参数指定完成，protocol 目前一般写成 0 即可；根据创建 socket 类型的不同，通信的方式也就不同：

实现 TCP 字节流通信： socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM；实现 UDP 数据报通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM；实现本地进程间通信： 「本地字节流 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM，「本地数据报 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外，AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等价的，所以 AF_UNIX 也属于本地 socket；

3.JUC用过哪些?

• JUC的atomic包下运用了CAS的AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicReference等原子变量类
• JUC的locks包下的AbstractQueuedSynchronizer（AQS）以及使用AQS的ReentantLock（显式锁）、ReentrantReadWriteLock
• JUC下的一些同步工具类：CountDownLatch（闭锁）、Semaphore（信号量）、CyclicBarrier（栅栏）、FutureTask
• JUC下的一些并发容器类：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList
• JUC下的一些Executor框架的相关类： 线程池的工厂类->Executors 线程池的实现类->ThreadPoolExecutor/ForkJoinPoolJUC下的一些阻塞队列实现类：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue

4.synchronized和Lock的区别

不同点：

• synchronized是关键字,Lock是接口;
• synchronized是隐式的加锁,lock是显式的加锁;
• synchronized底层采用的是objectMonitor,lock采用的AQS;
• synchronized是阻塞式加锁,lock是非阻塞式加锁支持可中断式加锁,支持超时时间的加锁;
• synchronized在进行加锁解锁时,只有一个同步队列和一个等待队列, lock有一个同步队列,可以有多个等待队列;
• synchronized只支持非公平锁,lock支持非公平锁和公平锁;
• synchronized使用了object类的wait和notify进行等待和唤醒, lock使用了condition接口进行等待和唤醒(await和signal);
• synchronized采用悲观锁，lock采用乐观锁
• synchronized无法判断锁的状态，而Lock可以采用tryLock()，尝试获取锁，可以判断锁的状态。
• synchronized在获取锁的线程执行完代码或者发生异常后线程释放锁，而Lock不会释放锁，所以一般在finally中必须释放锁，否则容易造成线程死锁。

相同点:

• 都是可重入锁
• 都可以实现线程同步
• 都用于保护临界区
• 其他线程在获取锁之前都会被阻塞，等待锁的释放。

5.synchronized关键字是一个什么锁?

悲观锁、非公平锁

6.synchronized是否可重入，你对可重入锁的理解？

synchronized可以重入。

当一个线程已经获得了 synchronized 锁，并且在同步代码块中执行时，如果它再次尝试进入同一个锁的同步代码块，不会被阻塞。这是因为 Java 中的 synchronized 机制是基于线程的，而不是基于调用的方法。线程获得锁后，会记录持有锁的线程信息，如果同一个线程再次尝试获得相同的锁，它会被允许，而不会阻塞。

在 Java 中，可重入锁（ReentrantLock）通常是使用一个计数器来追踪锁的重入次数的，这个计数器的初始值是0。每当同一个线程成功获取锁时，计数器会增加1，而每当线程成功释放锁时，计数器会减少1。当计数器的值达到0时，锁被完全释放，其他线程可以争夺锁。

7.线程重入会发生锁升级吗？锁升级的过程？

在 Java 中，锁重入不会导致锁升级。锁升级是指锁从低级别升级到高级别的过程，而锁重入是一种锁的特性，允许同一个线程多次获取同一个锁，而不会引发升级。锁升级通常与锁的性能和竞争有关，而锁重入是为了解决同一个线程在多次调用同步方法时的便利性。

8.介绍一下偏向锁

偏向锁的思想是偏向于让第一个获取锁对象的线程，这个线程之后重新获取该锁不再需要同步操作：

• 当锁对象第一次被线程获得的时候进入偏向状态，标记为 101，同时使用 CAS 操作将线程 ID 记录到 Mark Word。如果 CAS 操作成功，这个线程以后进入这个锁相关的同步块，查看这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，就不需要再进行任何同步操作
• 当有另外一个线程去尝试获取这个锁对象时，偏向状态就宣告结束，此时撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定或轻量级锁状态

一个对象创建时：

• 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，MarkWord 值为 0x05 即最后 3 位为 101，thread、epoch、age 都为 0
• 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟。JDK 8 延迟 4s 开启偏向锁原因：在刚开始执行代码时，会有好多线程来抢锁，如果开偏向锁效率反而降低
• 当一个对象已经计算过 hashCode，就再也无法进入偏向状态了
• 如果一个已经处于偏向锁状态，然后计算hashCode,将会进行锁膨胀升级成重量级锁。
• 添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

撤销偏向锁的状态：

• 调用对象的 hashCode：偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，调用 hashCode 导致偏向锁被撤销
• 当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
• 调用 wait/notify，需要申请 Monitor，进入 WaitSet

批量撤销：如果对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID

• 批量重偏向：当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，JVM 会觉得是不是偏向错了，于是在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
• 批量撤销：当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，JVM 会觉得自己确实偏向错了，根本就不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

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9.介绍一下轻量级锁

一个对象有多个线程要加锁，但加锁的时间是错开的（没有竞争），可以使用轻量级锁来优化，轻量级锁对使用者是透明的（不可见）

可重入锁：线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步着的代码块，可重入锁最大的作用是避免死锁

轻量级锁在没有竞争时（锁重入时），每次重入仍然需要执行 CAS 操作，Java 6 才引入的偏向锁来优化

锁重入实例：

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 B
    }
}

• 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，存储锁定对象的 Mark Word

• 让锁记录中 Object reference 指向锁住的对象，并尝试用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录

• 如果 CAS 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00（轻量级锁） ，表示由该线程给对象加锁

• 如果 CAS 失败，有两种情况：

• • 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
  • 如果是线程自己执行了 synchronized 锁重入，就添加一条 Lock Record 作为重入的计数

• 

• 当退出 synchronized 代码块（解锁时）

• • 如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减 1
  • 如果锁记录的值不为 null，这时使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头
• • • 成功，则解锁成功
    • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

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10.了解锁膨胀吗？

在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，可能是其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

• 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
• Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：为 Object 对象申请 Monitor 锁，通过 Object 对象头获取到持锁线程，将 Monitor 的 Owner 置为 Thread-0，将 Object 的对象头指向重量级锁地址，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
• 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头失败，这时进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程