Java笔试面试题AI答之线程（14）

79. 如何降低锁的竞争？

降低锁的竞争是并发编程中一个重要的优化方向，它有助于提升程序的性能和响应速度。以下是一些降低锁竞争的有效策略：

1. 优化查询语句和索引

• 优化查询语句：通过优化SQL查询语句，减少数据库操作的复杂度和执行时间，从而减少锁持有的时间。
• 建立合适的索引：为数据库表建立合适的索引，可以显著提高查询效率，减少锁的竞争。

2. 使用合适的锁类型

• 根据实际需求选择合适的锁类型，如共享锁（适用于读操作）和排他锁（适用于写操作）。共享锁允许多个线程同时读取数据，而排他锁则保证写操作的独占性。
• 在Java等编程语言中，可以选择使用synchronized关键字、ReentrantLock、ReadWriteLock等不同的锁实现，以适应不同的并发访问场景。

3. 控制事务长度

• 尽量控制事务的长度，避免长时间持有锁。通过缩短事务的持续时间，可以减少锁的竞争和系统的等待时间。

4. 减小锁的范围

• 将锁的作用范围限制在必要的代码块内，避免不必要的锁持有。这可以通过细化锁粒度来实现，即只对需要同步的临界区加锁。

5. 使用并发容器和工具

• 利用Java并发包（java.util.concurrent）提供的并发容器和同步工具，如ConcurrentHashMap、CountDownLatch、Semaphore等，这些工具可以减少锁的使用，提高并发性能。

6. 锁分解

• 将一个大的锁分解为多个小的锁，每个锁保护不同的资源或数据段。这样可以减少锁的竞争，因为不同的线程可能只需要访问不同的数据段。

7. 使用读写锁

• 在读多写少的场景下，使用读写锁可以显著提高性能。读写锁允许多个线程同时读取数据，而写操作则需要独占锁。

8. 考虑使用无锁数据结构

• 无锁数据结构通过原子操作和特殊的数据结构来实现线程安全，而不需要使用传统的锁机制。这可以在某些场景下提供更好的并发性能。

9. 分布式锁

• 在分布式系统中，可以考虑使用分布式锁来解决锁竞争问题。分布式锁通过将锁的管理与数据存储分离，可以降低锁的竞争，并提高系统的可扩展性。

10. 锁超时机制

• 设置锁的超时时间，当锁超时时自动释放，避免长时间占用锁导致的锁竞争问题。这可以通过在获取锁时设置超时参数来实现。

11. 并发编程框架

• 使用成熟的并发编程框架，如Akka、Spring Framework的并发工具等，这些框架提供了一套高级的抽象模型和优化机制，可以简化并发编程的复杂性，并降低锁的竞争。

综上所述，降低锁的竞争需要从多个方面入手，包括优化查询语句和索引、使用合适的锁类型、控制事务长度、减小锁的范围、使用并发容器和工具、锁分解、使用读写锁、考虑使用无锁数据结构、分布式锁、锁超时机制以及利用并发编程框架等。通过综合运用这些策略，可以显著提升程序的并发性能和响应速度。

80. 请列举Java中常见的同步机制？

Java中常见的同步机制主要包括以下几种，它们各自在解决多线程环境下共享资源访问和数据一致性问题上发挥着重要作用：

1. synchronized关键字

• 基本作用：synchronized是Java中最基本的同步机制。它可以用来修饰方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程能够执行被synchronized修饰的方法或代码块。
• 同步方法：通过在方法声明中加入synchronized关键字，可以将整个方法体变为同步代码块。对于静态同步方法，其锁对象是方法所在类的Class对象；对于实例同步方法，其锁对象是调用该方法的对象实例。
• 同步代码块：通过在代码块前加入synchronized(lock)，可以将特定代码块变为同步代码块。这里的lock是一个对象，用作锁。同一时刻只有一个线程能够持有这个锁并执行同步代码块。

2. volatile关键字

• 基本作用：volatile关键字用于声明变量，确保变量的可见性，即当一个线程修改了volatile变量的值后，这个新值对于其他线程是立即可见的。
• 特点：volatile禁止了指令重排序，但它并不能保证操作的原子性。因此，对于复合操作（如自增），仍需要使用synchronized或其他锁机制来保证原子性。

3. Lock接口

• 基本作用：java.util.concurrent.locks包中的Lock接口提供了比synchronized更灵活的锁操作。Lock接口的实现类（如ReentrantLock）允许更复杂的同步控制。
• 特性：支持公平锁和非公平锁、尝试非阻塞地获取锁（tryLock()）、可中断地获取锁（lockInterruptibly()）以及支持超时的获取锁（tryLock(long timeout, TimeUnit unit)）等。

4. 读写锁（ReadWriteLock）

• 基本作用：读写锁是Lock接口的一个实现，允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入。这可以显著提高并发性能，特别是在读多写少的场景中。
• 常见实现：ReentrantReadWriteLock是读写锁的一个常见实现。

5. 并发集合和同步工具类

• 并发集合：Java提供了一系列专为并发设计的集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。这些集合类通过内部同步机制优化了并发性能，避免了锁的竞争。
• 同步工具类：如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等，这些工具类提供了高效的同步机制，帮助开发者实现复杂的同步和协调模式。

6. 其他机制

• ThreadLocal：虽然ThreadLocal本身不是用于同步多个线程对共享资源的访问，但它通过为每个线程提供变量的独立副本，避免了线程间的数据共享冲突，从而间接支持了线程安全。
• wait/notify/notifyAll：这些方法可以与synchronized关键字配合使用，实现线程间的通信和协作。wait()使当前线程等待，直到其他线程调用该对象的notify()或notifyAll()方法；notify()唤醒在该对象监视器上等待的单个线程；notifyAll()唤醒在该对象监视器上等待的所有线程。

综上所述，Java中的同步机制是一套多样化的工具集，开发者可以根据具体的应用场景和需求选择合适的同步机制来确保多线程环境下的数据一致性和线程安全。

81. 共享变量在多线程下如何保证线程安全？

在多线程环境下，共享变量的线程安全是一个重要的问题。为了保证线程安全，可以采取以下几种方法：

1. 使用synchronized关键字

• 方法级同步：通过在方法声明中加上synchronized关键字，可以确保在同一时刻只有一个线程能够执行该方法。这适用于保护整个方法的执行过程，但可能会带来较大的性能开销。
• 代码块级同步：将synchronized关键字应用于代码块，可以只对需要同步的代码部分进行加锁，从而减小锁的粒度，提高性能。这种方式需要指定一个锁对象，多个线程需要竞争这个锁对象。

2. 使用Lock接口

• 显式锁：java.util.concurrent.locks.Lock接口提供了比synchronized更灵活的加锁和解锁操作。通过实现该接口的类（如ReentrantLock），可以显式地控制锁的获取和释放，以及尝试非阻塞地获取锁等。
• 优势：与synchronized相比，Lock接口提供了更多的功能，如尝试锁（tryLock）、定时锁（tryLock，带超时时间）、可中断的锁获取（lockInterruptibly）等。

3. 使用volatile关键字

• 保证可见性：volatile关键字可以确保变量的修改对所有线程立即可见。然而，它并不保证原子性，即对于复合操作（如i++），volatile无法确保整个操作的原子性。
• 适用场景：适用于单个变量的读写操作，且不需要保证复合操作的原子性时。

4. 使用原子类

• 原子操作：java.util.concurrent.atomic包下提供了一系列原子类（如AtomicInteger、AtomicLong等），这些类通过CAS（Compare-And-Swap）等机制保证了原子操作。
• 优势：原子类提供了丰富的原子操作方法（如getAndIncrement、compareAndSet等），可以在不使用锁的情况下实现线程安全。

5. 避免共享状态

• 无状态设计：尽量设计无状态的类或方法，即不依赖于或修改外部状态。这样，即使多个线程同时调用，也不会产生线程安全问题。
• 线程本地存储：对于必须共享的状态，可以考虑使用线程本地存储（ThreadLocal）来避免线程间的数据共享。

6. 合理的线程同步策略

• 减少锁的粒度：尽量只对需要同步的代码块进行加锁，避免对整个方法或类进行加锁。
• 避免锁竞争：通过合理的线程调度和同步策略，减少线程间的锁竞争，提高系统的并发性能。

综上所述，保证共享变量在多线程下的线程安全需要根据实际情况选择合适的同步机制。在设计多线程程序时，应充分考虑线程间的数据共享和同步问题，以避免潜在的线程安全问题。

82. Java中是否共享变量都使用类似AtomicLong原子安全类，多线程访问就是安全的？

在Java中，并非所有共享变量在使用类似AtomicLong这样的原子安全类后，多线程访问就一定是安全的。这个问题涉及到多个方面，以下是对此问题的详细分析：

1. 原子安全类的作用

原子安全类（如AtomicLong）通过底层的原子操作（如CAS，即Compare-And-Swap）来确保单个变量操作的原子性。这意味着在多线程环境下，对一个原子变量的读写操作是线程安全的，即一次只有一个线程能成功地修改该变量的值。

2. 局限性

然而，即使使用了原子安全类，也并不能保证所有多线程访问共享变量的情况都是安全的。原因如下：

• 多个变量的操作：如果多个线程需要同时操作多个共享变量，并且这些操作之间存在逻辑依赖，那么仅仅使用原子安全类来保护单个变量是不够的。因为原子安全类只能保证单个变量操作的原子性，而无法保证跨多个变量的复合操作的原子性。
• 逻辑上的竞态条件：即使所有变量都使用了原子安全类，如果线程间的操作存在逻辑上的依赖或冲突（如先读后写、条件判断等），仍然可能产生竞态条件，导致数据不一致或错误的结果。

3. 解决方案

为了确保多线程环境下共享变量的安全访问，可以采取以下措施：

• 使用锁（如synchronized或ReentrantLock）：通过锁来同步对共享变量的访问，确保在同一时刻只有一个线程能访问这些变量。
• 使用事务（如果适用）：在需要同时修改多个共享变量的情况下，可以使用事务来确保这些操作要么全部成功，要么全部失败，从而保持数据的一致性。
• 合理设计线程间的交互：通过设计合理的线程交互逻辑，避免或减少竞态条件的发生。

4. 结论

因此，虽然使用原子安全类可以在一定程度上提高多线程访问共享变量的安全性，但并不能保证在所有情况下都是安全的。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的同步机制来确保数据的正确性和一致性。

83. 解释Final修饰的不可变对象？

在Java中，final关键字是一个修饰符，它可以用于修饰类、方法和变量。当final用于修饰变量时，它表示这个变量的引用（对于对象类型）或值（对于基本数据类型）一旦被初始化之后，就不能再被改变。然而，需要明确的是，final修饰的不可变对象主要是指其引用不可变，而非对象本身的内容不可变。

引用不可变

当你将一个对象引用声明为final时，这意味着你不能将这个引用重新指向另一个对象。但是，这并不意味着你不能改变该对象内部的状态（如果对象是可变的）。例如：

final List<String> myList = new ArrayList<>();
myList.add("Hello"); // 这是允许的，因为myList的引用没有改变，只是修改了其内容
myList = new ArrayList<>(); // 这是不允许的，因为尝试改变myList的引用

在上面的例子中，尽管myList被声明为final，但我们仍然可以修改myList所引用的ArrayList对象的内容（即添加元素）。但我们不能改变myList本身所引用的对象。

不可变对象

不可变对象（Immutable Object）是指一旦创建，其状态（即对象内部的数据）就不能被修改的对象。这种对象通常通过以下方法实现：

1. 私有字段：将所有字段声明为private，防止外部直接访问。
2. 没有setter方法：不提供修改对象状态的setter方法。
3. 返回不可变集合或对象的副本：如果对象包含集合或其他可变对象作为字段，那么当这些字段被访问时，应该返回其不可变视图或副本，而不是原始集合或对象。

不可变对象与final修饰的变量在概念上是不同的。final修饰的变量只是保证了变量的引用不会改变，但并不能保证对象本身的状态不变。而不可变对象则是无论其引用如何变化，对象本身的状态都不会改变。

结合使用

在实践中，将final与不可变对象结合使用是一种好的做法，因为它提供了额外的安全性和清晰的代码意图。例如，一个方法返回一个final修饰的不可变对象，这既保证了调用者不能修改这个对象的引用，也保证了调用者不能修改对象本身的状态。这有助于避免潜在的并发问题和数据不一致问题。

84. 列举Java常见的并发容器？

Java中的常见并发容器主要设计用于在多线程环境下安全、高效地存储和操作数据。这些容器通常位于java.util.concurrent包中，它们通过内部机制（如锁、CAS操作等）来确保线程安全，而无需开发者手动进行同步控制。以下是Java中常见的并发容器及其简要说明：

1. Map 类

• ConcurrentHashMap：这是最常用的并发Map实现之一。它基于分段锁（在Java 8及以后版本中改为基于CAS和synchronized的细粒度锁）来提高并发性能。支持高并发的读写操作。

• ConcurrentSkipListMap：基于跳表（SkipList）实现的并发Map，保证了元素的有序性。与ConcurrentHashMap相比，它提供了更好的并发范围查询性能。

2. List 类

• CopyOnWriteArrayList：这是一个线程安全的List实现，通过写时复制的策略来确保线程安全。在写操作（如添加、删除等）时，会复制整个底层数组，并在新数组上进行修改，然后替换原有数组。这种策略使得读操作非常高效，适用于读多写少的场景。

3. Set 类

• CopyOnWriteArraySet：基于CopyOnWriteArrayList实现的并发Set，继承了CopyOnWriteArrayList的线程安全特性。

• ConcurrentSkipListSet：基于ConcurrentSkipListMap的并发Set实现，元素保持有序。

4. Queue 类

• ConcurrentLinkedQueue：这是一个基于非阻塞算法的线程安全队列，使用CAS操作实现线程安全。它适用于高并发的生产者-消费者模型，性能优于BlockingQueue在某些场景下。

• ConcurrentLinkedDeque：基于双向链表的线程安全队列，支持从队列的两端进行添加和删除操作。

• BlockingQueue：这是一个接口，不是具体的实现类。但它有多个实现，如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue等，用于支持阻塞的插入和移除操作。这些队列广泛用于生产者-消费者模型中，以协调生产者和消费者的速度差异。

  • ArrayBlockingQueue：基于数组的阻塞队列，有界。
  • LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，可选有界或无界。
  • SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。

• PriorityBlockingQueue：一个支持优先级的无界阻塞队列，元素按照其自然顺序或者构造队列时所提供的Comparator进行排序。

• LinkedTransferQueue：一个基于链表结构的无界TransferQueue，相比其他阻塞队列，它增加了tryTransfer和transfer方法，这些方法在尝试传输元素时如果当前没有消费者等待接收元素，可以选择立即返回或者等待消费者可用。

• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列，只有在元素指定的延迟时间到了之后才能从队列中取元素。

这些并发容器各有特点和适用场景，开发者可以根据具体需求选择合适的容器来实现多线程环境下的数据结构。

答案来自文心一言，仅供参考