掌握Java多线程与并发编程-面试专用

为什么学习多线程和并发编程

• 多线程和并发编程在Java中占据着举足轻重的地位。在面试中，多线程几乎是必问的问题，因此掌握基础知识至关重要。在实际工作中，虽然直接编写多线程代码的机会并不多，但在高并发环境下理解并发的原理和问题是必要的。例如，当大量请求同时访问同一接口时，如果不了解并发可能会导致的问题，就可能遇到性能瓶颈甚至系统崩溃。

基础知识：进程与线程

• 进程是资源分配的基本单位，是程序执行的一个实例。例如，一个运行中的应用程序就是一个进程。线程则是程序执行的最小单位，是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源。理解进程和线程的区别，对于深入理解Java多线程至关重要【82†source】。

多线程的实现方式

• Java提供了三种实现多线程的方式：

1.继承Thread类并重写run()方法。这是最基础的多线程实现方式。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行逻辑
    }
}

2.实现Runnable接口。这种方式更灵活，允许线程类继承其他类。

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程执行逻辑
    }
}
new Thread(new MyRunnable()).start();

3.实现Callable接口。这种方式可以有返回值，通常与FutureTask配合使用。

class MyCallable implements Callable {
    @Override
    public Integer call() {
        // 线程执行逻辑，返回值
        return 123;
    }
}
FutureTask task = new FutureTask<>(new MyCallable());
new Thread(task).start();

线程的状态

线程有五种状态：新建、就绪、运行、阻塞和死亡。新建状态是指创建了线程对象但还未调用start()方法。调用start()方法后，线程进入就绪状态，等待CPU调度。运行状态是线程正在执行run()方法。阻塞状态指线程因某些原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。最后，线程运行结束或因异常退出则进入死亡状态

Thread类的常用方法

Thread类提供了多线程编程的基础。它的常用方法包括：

• start(): 启动一个新线程。
• run(): 定义线程执行的操作。
• sleep(): 让线程休眠一定时间。
• join(): 等待线程执行完毕。
• interrupt(): 中断线程。
• isAlive(): 检查线程是否存活。
• setDaemon(): 设置线程为守护线程。
• setName() 和 getName(): 设置和获取线程的名字。
• setPriority() 和 getPriority(): 设置和获取线程的优先级。

Thread t = new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
t.start();
t.join();

Java的同步机制

在Java中，同步是保证多线程安全的关键。其中volatile是一种轻量级的同步机制。它主要用于保证变量的可见性，即当一个线程修改了一个变量的值，其他线程能够立即看到这个修改。但是，volatile不保证操作的原子性。与synchronized（重量级锁）相比，volatile不会引起线程上下文的切换和调度，从而减少了开销。但是，它的同步性较差，且使用时容易出错​​。

1.并发编程的核心概念

• 并发编程的三个基本概念包括原子性、可见性和互斥性：
  • 原子性：指操作不可分割，完整性地执行，不会受到其他因素的干扰。
  • 可见性：指一个线程修改的变量的值，其他线程能够立即知晓。
  • 互斥性：通过锁来实现，确保同一时刻只有一个线程能访问特定资源​​。

2.Java内存模型JMM

• Java内存模型（Java Memory Model, JMM）规定了如何管理线程间的内存共享。JMM定义了线程和主内存之间的关系，线程的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，而不能直接读写主内存。这个机制确定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见​​。

3.volatile变量的特性

• volatile变量具有以下特性：
  • 保证可见性，但不保证原子性。
  • 禁止指令重排，确保程序执行的顺序与代码的顺序相同。
• volatile适用于一写多读的场景，但在某些场景下不适用，如不满足原子性的操作​​。

4.Java中的锁

• Java提供了多种锁机制来处理并发编程的问题，包括：

  • 乐观锁和悲观锁:

    • 乐观锁：它假设最好的情况，即不会有并发冲突，因此不会立即锁定资源。通常通过版本控制实现，如使用版本号或时间戳。如果在更新资源时检测到版本不匹配，表示资源已被其他线程修改，更新操作会失败。
    • 悲观锁：假设最坏的情况，即总是假定会发生冲突并立即锁定资源。传统的锁机制，如synchronized和ReentrantLock，通常都是悲观锁的体现。

  • 独占锁和共享锁:

    • 独占锁：只允许一个线程持有锁，如ReentrantLock。其他线程必须等待该锁被释放。
    • 共享锁：允许多个线程同时持有锁。例如，ReadWriteLock的读锁是共享的，可以被多个读线程同时持有。

  • 互斥锁和读写锁:

    • 互斥锁：确保同一时间只有一个线程可以执行特定的代码段。
    • 读写锁：允许多个读操作同时进行，但写操作会独占锁。ReadWriteLock提供了读锁和写锁。

  • 公平锁和非公平锁:

    • 公平锁：按照线程请求锁的顺序来分配锁，如ReentrantLock在创建时可指定公平性。
    • 非公平锁：允许抢占，即新请求的线程可能会在排队的线程之前获得锁。

  • 可重入锁:

    • 又名递归锁，允许线程多次获得同一锁。ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

  • 自旋锁:

    • 线程在获取锁时，会循环检查锁是否可用，而不是立即进入阻塞状态。它避免了线程状态的切换带来的开销。

  • 分段锁:

    • 将数据分成不同的段，每段有自己的锁。通过这种方式，可以减少资源竞争，提高并发度。例如，在ConcurrentHashMap中使用。

  • 锁升级:

    • Java虚拟机中采用了锁升级的概念，包括无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁，根据竞争情况逐渐升级，以优化锁的性能。

  • 锁优化技术:

    • 包括锁粗化（将多次加锁解锁操作合并为一次，减少锁操作）和锁消除（JVM优化去掉不必要的锁）等技术，用于提升多线程程序的性能​​​​。
• 每种锁都有其特定的使用场景和优势，了解这些锁的不同可以帮助开发者更好地解决多线程中的同步问题​​。

5.锁的优化技术

• 锁的优化技术是提高多线程程序性能的重要手段。包括锁粗化（将多次锁请求合并为一次，减少锁的请求次数）和锁消除（JVM优化去掉不必要的锁）等。通过这些技术，可以减少锁的开销，提高程序的执行效率​​。

• 结论

• 了解和掌握多线程和并发编程的原理及其在Java中的实现是开发高效、稳定Java应用程序的关键。通过深入学习线程的生命周期、同步机制以及Java内存模型，开发者可以更好地理解并发环境下的程序行为，