Java多线程

1.线程安全的集合有哪些？

Java中提供了多种线程安全的集合类，它们位于java.util.concurrent包下。以下是一些常见的线程安全集合：

1. ConcurrentHashMap

   • 类似于HashMap，但它是线程安全的，允许并发读写操作，并且在高并发场景下的性能优于同步HashMap。

2. CopyOnWriteArrayList

   • 线程安全的List实现，当修改集合时（如添加、删除元素），它会创建一个新的数组副本进行修改，而遍历操作则总是看到不变的原数据视图，适用于读多写少的并发场景。

3. CopyOnWriteArraySet

   • 基于CopyOnWriteArrayList实现的线程安全Set，具有同样的复制更新机制。

4. ConcurrentLinkedQueue

   • 一个线程安全的FIFO队列，适合用于多生产者-多消费者模式，支持高效的非阻塞并发插入和移除操作。

5. BlockingQueue接口的实现

   • 如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue等，这些是线程安全的队列，支持阻塞的插入和获取操作，以及容量限制等功能。

6. ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet

   • 分别为线程安全的有序映射和有序集，内部采用跳跃表（Skip List）数据结构，支持高效并发访问和排序功能。

7. ConcurrentLinkedDeque

   • 双向链表实现的线程安全deque（双端队列），支持从两端添加和移除元素。

8. CyclicBarrier, CountDownLatch, Semaphore

   • 虽然不是传统的集合，但它们是线程协作工具，可以用来控制多个线程之间的同步行为。

9. ConcurrentHashSet

   • 这是一个不太常见的集合类，可通过Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>()方式创建一个线程安全的HashSet。

总之，Java通过java.util.concurrent包提供了一系列线程安全的数据结构，能够满足不同场景下的并发需求。

2 hashMap为什么不是线程安全的？底层原理是什么？

HashMap在Java中不是线程安全的原因在于其内部实现的并发控制机制不足。HashMap的设计并没有考虑多线程环境下的同步问题，当多个线程同时对HashMap进行读写操作时，可能会出现数据不一致的问题。

底层原理：

1. 结构设计： HashMap底层基于数组和链表（或红黑树）实现，通过哈希函数计算key的哈希值，并根据这个值将元素存储到数组的特定位置上。如果哈希冲突，则使用拉链法解决冲突，即将相同哈希值的元素链成一个链表。

2. 线程不安全性表现：

   • 扩容（resize）：当HashMap的容量达到阈值时，会自动扩容并重新哈希所有元素。在这个过程中，如果没有适当的同步控制，多个线程可能同时触发扩容，导致元素丢失或重复。
   • put、remove等操作：在添加或删除元素时，需要修改链表结构或者调整数组大小，这些操作涉及到了共享变量的修改，未加锁的情况下可能会导致数据不一致，例如死循环、元素丢失等问题。
   • 并发读写：在读取的同时有其他线程正在进行写操作，可能导致读取到的数据是正在被修改而尚未完成的状态，即脏读现象。

为了确保线程安全，在多线程环境下通常建议使用java.util.concurrent包下的ConcurrentHashMap类，它采用了分段锁（Segment Lock）技术来保证在并发访问时的安全性，从而解决了HashMap的线程安全问题。在JDK 8及以后版本中，ConcurrentHashMap进一步优化了锁机制，使用了一种粒度更细的CAS+Synchronized的方式来提高并发性能。

3 请用代码实现同时开启一个线程打印1～52，开启另一个线程打印A～Z，最终交替打印1A2B3C...这样的数据

这是一个典型的多线程同步问题，可以使用Java的synchronized关键字和条件变量（如wait()、notify()或java.util.concurrent.locks.Condition）来实现。以下是一个简单的示例：

Java

1import java.util.concurrent.locks.Condition;
2import java.util.concurrent.locks.Lock;
3import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
4
5public class PrintAlternating {
6    private static final int MAX_NUM = 52;
7    private static final char START_CHAR = 'A';
8    private static final Lock lock = new ReentrantLock();
9    private static final Condition condition1 = lock.newCondition();
10    private static final Condition condition2 = lock.newCondition();
11    private static int number = 1;
12    private static char letter = START_CHAR;
13
14    public static void main(String[] args) {
15        Thread thread1 = new Thread(() -> printNumbers());
16        Thread thread2 = new Thread(() -> printLetters());
17
18        thread1.start();
19        thread2.start();
20
21        try {
22            thread1.join();
23            thread2.join();
24        } catch (InterruptedException e) {
25            e.printStackTrace();
26        }
27    }
28
29    private static void printNumbers() {
30        while (number <= MAX_NUM) {
31            lock.lock();
32            try {
33                while (letter != START_CHAR) { // 等待字母打印完
34                    condition1.await();
35                }
36                System.out.print(number++);
37                System.out.flush(); // 确保立即输出到控制台
38                letter++; // 让字母线程开始打印
39                condition2.signal(); // 唤醒字母线程
40            } catch (InterruptedException e) {
41                e.printStackTrace();
42            } finally {
43                lock.unlock();
44            }
45        }
46    }
47
48    private static void printLetters() {
49        while (letter <= 'Z') {
50            lock.lock();
51            try {
52                while (number <= 1 || number > MAX_NUM) { // 等待数字打印完
53                    condition2.await();
54                }
55                System.out.print(letter++);
56                System.out.flush();
57                number += 2; // 让数字线程开始打印下一个偶数
58                condition1.signal(); // 唤醒数字线程
59            } catch (InterruptedException e) {
60                e.printStackTrace();
61            } finally {
62                lock.unlock();
63            }
64        }
65    }
66}

注意：在实际执行时，由于线程调度机制的影响，可能不会严格地按照1A2B...的顺序交替打印，但上述代码确保了在逻辑上是交替进行的。为了使输出更加清晰，在每个打印操作后添加了System.out.flush()以确保数据立即输出到控制台。同时，根据题目描述，这里假设只打印到Z，即总共52个元素，因此数字线程每次增加2以匹配字母线程的进度。

3 请用代码实现同时开启一个线程打印1～52，开启另一个线程打印A～Z，最终交替打印1A2B3C...这样的数据

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func printNumbers(wg *sync.WaitGroup, numbers chan<- rune) {
    defer wg.Done()
    for i := 1; i <= 52; i++ { // 确保总共发送52个数，因为是交替打印，所以数字也翻倍
        num := rune(i)
        numbers <- num
    }
    close(numbers)
}

func printLetters(wg *sync.WaitGroup, letters chan<- rune, numbers <-chan rune) {
    defer close(letters) // 在函数结束时关闭letters通道
    lettersToSend := 'A'
    for number := range numbers {
        fmt.Printf("%d", number)
        fmt.Printf("%c", lettersToSend)
        lettersToSend++
        if lettersToSend > 'Z' {
            lettersToSend = 'A'
        }
    }
    wg.Done() // 当numbers channel关闭时，表明已处理完所有数据，此时调用Done
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    numbers := make(chan rune)
    letters := make(chan rune)

    wg.Add(2)

    go printNumbers(&wg, numbers)
    go printLetters(&wg, letters, numbers)

    wg.Wait()
}
ASCII码对照表

上面的leffter 可以去掉

3 Java里实现线程的方式有哪些？各自的优缺点是什么？

Java中实现线程主要有以下三种方式：

1. 继承java.lang.Thread类

   • 通过创建一个继承自Thread的子类，并重写run()方法来定义线程执行体。
   Java

   1class MyThread extends Thread {
   2    public void run() {
   3        // 线程任务代码
   4    }
   5    
   6    public static void main(String[] args) {
   7        MyThread thread = new MyThread();
   8        thread.start(); // 启动线程
   9    }
   10}

   优点：

   • 实现简单直观，如果需要直接访问当前线程或获取线程状态时非常方便。

   缺点：

   • 如果要重用现有类并且该类已经继承了其他类，则不能使用继承的方式来创建线程（因为Java不支持多重继承）。
   • 当需要在多个地方复用线程逻辑时，由于单继承限制，这种方式不够灵活。

2. 实现java.lang.Runnable接口

   • 创建一个实现Runnable接口的类，并实现其run()方法。然后将这个实例传给Thread构造函数来创建并启动线程。
   Java

   1class MyRunnable implements Runnable {
   2    public void run() {
   3        // 线程任务代码
   4    }
   5
   6    public static void main(String[] args) {
   7        Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
   8        thread.start();
   9    }
   10}

   优点：

   • 更符合面向对象的设计原则，允许线程逻辑与具体的线程类解耦，可以方便地应用于多种上下文。
   • 允许一个类同时实现多个接口，因此可以在不影响原有类结构的情况下实现多线程。
   • 可以方便地应用于线程池中，提高资源利用率和系统性能。

   缺点：

   • 不可以直接操作线程相关的方法（如interrupt()、setName()等），必须通过Thread实例进行操作。

3. 使用java.util.concurrent.Callable接口和FutureTask

   • Callable接口提供了一个带有返回值的call()方法，而FutureTask则是一个实现了RunnableFuture接口的类，它可以包装Callable对象并将结果存储为Future，从而可以在主线程中获取异步计算的结果。
   Java

   1import java.util.concurrent.Callable;
   2import java.util.concurrent.FutureTask;
   3
   4class MyCallable implements Callable {
   5    public String call() throws Exception {
   6        // 执行有返回值的任务
   7        return "Callable result";
   8    }
   9
   10    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
   11        MyCallable callable = new MyCallable();
   12        FutureTask task = new FutureTask<>(callable);
   13        Thread thread = new Thread(task);
   14        thread.start();
   15        System.out.println("Main thread: " + task.get()); // 获取线程执行结果
   16    }
   17}

   优点：

   • 支持有返回值的任务，并且可以通过Future获取异步执行的结果。
   • 适用于处理更复杂的并发场景，结合Future可以实现更灵活的线程控制。

   缺点：

   • 相对于前两种方式来说，实现过程稍显复杂，API较为抽象，对初学者理解起来可能有一定难度。

总结来说，选择哪种方式取决于具体的应用场景和需求，通常推荐使用Runnable接口，因为它具有更好的灵活性和可扩展性。而在需要获取线程执行结果或者进行更复杂的异步任务管理时，可以考虑使用Callable和FutureTask。

4 你如何理解同步、异步、阻塞、非阻塞？

同步、异步和阻塞、非阻塞是描述程序执行方式和线程行为的四种关键概念，它们主要针对的是并发编程中的任务调度和I/O操作。

1. 同步（Synchronous）

   • 同步指的是在发出一个操作请求后，调用者会一直等待这个操作完成并返回结果。比如在Java中，当你调用某个方法时，如果没有采用异步机制，那么调用线程会在该方法返回之前一直被阻塞。
   • 在I/O操作中，同步意味着应用程序主线程发起读写请求后，会一直等待直到数据准备好或操作完成才继续执行后续代码。

2. 异步（Asynchronous）

   • 异步则是指在发出一个操作请求后，调用者不必等待该操作完成就可以继续执行其他任务。当操作完成后，通常会通过回调函数、事件通知或者Future/Promise等机制告知调用者。
   • 在I/O操作中，异步处理允许主线程发出读写请求后立即返回，操作系统或框架会在后台处理数据准备，完成后触发相应的通知机制。

3. 阻塞（Blocking）

   • 阻塞是指在执行过程中，如果遇到某种资源不可用（如网络连接未建立、文件未就绪等），调用线程会被挂起，直到资源可用或者超时为止。在此期间，调用线程无法执行其他任何任务。
   • 例如，在进行网络I/O时，若使用了阻塞API，当缓冲区为空而试图读取数据时，线程会进入等待状态，直到有新的数据到来。

4. 非阻塞（Non-blocking）

   • 非阻塞则是在尝试访问资源时，即使资源暂时不可用，也不会导致调用线程挂起，而是直接返回一个错误信息或告诉调用者当前资源的状态，然后可以立刻执行下一条指令。
   • 在非阻塞I/O中，当没有数据可读时，读操作不会阻塞，而是立即返回并告知当前无数据；当不能立即写入时，写操作也会立即返回，之后可以通过轮询或事件驱动的方式得知何时可以再次尝试写入。

总结来说：

• 同步/异步关注的是消息通信机制，即发送一个请求后，是否需要等待响应后再进行下一步操作；
• 阻塞/非阻塞关注的是在等待系统内资源（如I/O操作）时，进程或线程的状态，是否需要等待资源就绪才能继续执行。

结合在一起，同步阻塞模型是最常见的，它表示调用者必须等待操作完成；而异步非阻塞模型则更适用于高并发和高性能场景，因为它允许调用者在等待资源的同时还能处理其他任务。

5 你的程序中用到了哪些锁？是如何实现的?

作为AI助手，我并不能直接编写程序或使用锁机制。但我可以解释在Java等编程语言中常见的几种锁实现方式：

1. 内置锁（Intrinsic Locks / Monitor Locks）

   • 在Java中，每个对象都有一个内置锁，也称为监视器锁（monitor）。当一个线程调用一个对象的synchronized方法或者同步块时，会自动获取该对象的锁，并在执行完同步代码后释放锁。
   Java

   1public class MyClass {
   2    public synchronized void method() {
   3        // 同步代码块
   4    }
   5}

2. 显式Lock（Explicit Locks）

   • Java提供了java.util.concurrent.locks.Lock接口以及其实现类如ReentrantLock，允许开发者更灵活地控制锁的获取和释放。
   Java

   1import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
   2
   3public class MyClass {
   4    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   5
   6    public void method() {
   7        lock.lock(); // 获取锁
   8        try {
   9            // 临界区代码
   10        } finally {
   11            lock.unlock(); // 无论是否发生异常，确保锁最终会被释放
   12        }
   13    }
   14}

3. 读写锁（Read-Write Locks）

   • java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock接口及其ReentrantReadWriteLock实现提供了一种允许多个读线程同时访问资源，但只允许一个写线程访问资源的锁机制。
   Java

   1import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
   2
   3public class MyClass {
   4    private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
   5    private final Lock readLock = lock.readLock();
   6    private final Lock writeLock = lock.writeLock();
   7
   8    public void readOperation() {
   9        readLock.lock();
   10        try {
   11            // 读取操作
   12        } finally {
   13            readLock.unlock();
   14        }
   15    }
   16
   17    public void writeOperation() {
   18        writeLock.lock();
   19        try {
   20            // 写入操作
   21        } finally {
   22            writeLock.unlock();
   23        }
   24    }
   25}

4. 条件变量（Condition Variables）

   • 配合锁使用，比如ReentrantLock提供了newCondition()方法创建Condition对象，用于线程间的协作与通知唤醒机制。
   Java

   1import java.util.concurrent.locks.Condition;
   2import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
   3
   4public class MyClass {
   5    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   6    private final Condition condition = lock.newCondition();
   7
   8    public void waitForSignal() {
   9        lock.lock();
   10        try {
   11            while (!isReady()) {
   12                condition.await(); // 当条件不满足时，线程等待
   13            }
   14            // 条件满足，执行相应逻辑
   15        } catch (InterruptedException e) {
   16            Thread.currentThread().interrupt();
   17        } finally {
   18            lock.unlock();
   19        }
   20    }
   21
   22    public void signalAll() {
   23        lock.lock();
   24        try {
   25            // 设置条件为真并唤醒所有等待的线程
   26            setReady(true);
   27            condition.signalAll();
   28        } finally {
   29            lock.unlock();
   30        }
   31    }
   32}

以上是Java中常用的几种锁类型和它们的基本使用示例。在实际编程中，选择哪种锁取决于具体的并发需求和性能考量。