面试知识点准备与总结——（并发篇）

线程有哪些状态

Java线程分为六种状态，分别是新建，可运行，终结，阻塞，等待，有时限等待

前面三个新建，运行，终结都是单向不可逆的，而后面的阻塞，等待，有时限等待是可以与运行状态来回变换的

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线程池的核心参数

线程池的核心参数一共有7个

• 核心线程数，是指一直保留在线程池里的线程数目
• 最大线程数，是指核心线程数和救急线程数的总和
• 生存时间，是指救急线程的存活时间，当救急线程空闲时间达到这个生存时间后，就会终结
• 时间单位，是指存活时间的单位，是秒还是分钟或者小时
• 阻塞队列，当核心线程用完后，剩下任务就在阻塞队列中排队，这里是指阻塞队列的长度
• 线程工厂，给线程池创建新线程
  

最后一个是拒绝策略，拒绝策略有四种，如下

当任务数量超过核心线程数量，最大排队数量以及临时线程数量的总和，全负载时，多余任务会根据线程池的拒绝策略来丢弃或处理

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sleep和wait的区别

一个共同点，三个不同点

共同点

wait() ，wait(long) 和 sleep(long) 的效果都是让当前线程暂时放弃 CPU 的使用权，进入阻塞状态

不同点

• 方法归属不同

  • sleep(long) 是 Thread 的静态方法
  • 而 wait()，wait(long) 都是 Object 的成员方法，每个对象都有

• 醒来时机不同

  • 执行 sleep(long) 和 wait(long) 的线程都会在等待相应毫秒后醒来
  • wait(long) 和 wait() 还可以被 notify 唤醒，wait() 如果不唤醒就一直等下去
  • 它们都可以被打断唤醒

• 锁特性不同（重点）

  • wait 方法的调用必须先获取 wait 对象的锁，而 sleep 则无此限制
  • wait 方法执行后会释放对象锁，允许其它线程获得该对象锁（我放弃 cpu，但你们还可以用）
  • 而 sleep 如果在 synchronized 代码块中执行，并不会释放对象锁（我放弃 cpu，你们也用不了）
    （这里简单可以理解，wait释放锁睡觉，sleep抱着锁睡觉）

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lock 与 synchronized 的异同

可以从三个层面分解

不同点

①语法层面

• synchronized 是关键字，源码在 jvm 中，用 c++ 语言实现
• Lock 是接口，源码由 jdk 提供，用 java 语言实现
• 使用 synchronized 时，退出同步代码块锁会自动释放，而使用 Lock 时，需要手动调用 unlock 方法释放锁

②功能层面

• 二者均属于悲观锁、都具备基本的互斥、同步、锁重入（可以加多道锁）功能
• Lock 提供了许多 synchronized 不具备的功能，例如获取等待状态（哪些线程被阻塞了）、公平锁、可打断、可超时（可设置最大超时时间，超过指定时间放弃获取锁）、多条件变量
• Lock 有适合不同场景的实现，如 ReentrantLock（可重入锁）， ReentrantReadWriteLock（读多写少场景）

③性能层面

• 在没有竞争时（或竞争很少时），synchronized 做了很多优化，如偏向锁、轻量级锁，性能不赖
• 在竞争激烈时，Lock 的实现通常会提供更好的性能

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Lock锁，是用创建的锁对象调用lock()，unlock()方法，上锁和释放锁
synchronized ，是同步代码块或同步方方法的方式

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公平锁

• 公平锁的公平体现
  • 已经处在阻塞队列中的线程（不考虑超时）始终都是公平的，先进先出
  • 公平锁是指未处于阻塞队列中的线程来争抢锁，如果队列不为空，则老实到队尾等待
  • 非公平锁是指未处于阻塞队列中的线程来争抢锁，与队列头唤醒的线程去竞争，谁抢到算谁的
• 公平锁会降低吞吐量，一般不用

条件变量

• ReentrantLock 中的条件变量功能类似于普通 synchronized 的 wait，notify，用在当线程获得锁后，发现条件不满足时，临时等待的链表结构
• 与 synchronized 的等待集合不同之处在于，ReentrantLock 中的条件变量可以有多个，可以实现更精细的等待、唤醒控制

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volatile能否保证线程安全

线程安全要考虑三个方面:可见性、有序性、原子性

①可见性指，一个线程对共享变量修改，另一个线程能看到最新的结果

②有序性指，一个线程内代码按编写顺序执行

③原子性指，一个线程内多行代码以一个整体运行，期间不能有其它线程的代码插队

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原子性

• 起因：多线程下，不同线程的指令发生了交错导致的共享变量的读写混乱
• 解决：用悲观锁或乐观锁解决，volatile 并不能解决原子性

可见性

• 起因：由于编译器优化、或缓存优化、或 CPU 指令重排序优化导致的对共享变量所做的修改另外的线程看不到
• 解决：用 volatile 修饰共享变量，能够防止编译器等优化发生，让一个线程对共享变量的修改对另一个线程可见

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下面就是一个典型的永远循环-可见性案例

那到底是什么原因导致了线程0修改stop值后，主线程仍然继续循环，而线程1获取的stop又显示为true呢？

其中就是JIT的起的作用，JIT是优化器，对热点的字节码文件进行优化，例如频繁调用的方法，反复执行的循环；

在线程0还没有改变stop的值时，主线程在线程0睡眠的100毫秒内，已经执行了几百万次了，这时优化器JIT坐不住了，就对这个反复读取的stop且每次读取值都相同的字节码做优化，避免它频繁从内存中读取，把stop认为是false，把它的字节码编译成机器码缓存起来，再次循环时，就直接拿这个机器码，节省中间解释过程。如下图

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若上面那个stop变量用了volatile修饰，JIT就不会对其优化，放过它
有序性

• 起因：由于编译器优化、或缓存优化、或 CPU 指令重排序优化导致指令的实际执行顺序与编写顺序不一致
• 解决：用 volatile 修饰共享变量会在读、写共享变量时加入不同的屏障，阻止其他读写操作越过屏障，从而达到阻止重排序的效果
• 注意：
  • volatile 变量写加的屏障是阻止上方其它写操作越过屏障排到 volatile 变量写之下
  • volatile 变量读加的屏障是阻止下方其它读操作越过屏障排到 volatile 变量读之上
  • volatile 读写加入的屏障只能防止同一线程内的指令重排

写是上面操作不能越过下面（避免被程序之前的数据覆盖），读是下面操作不能越过上面（避免读取的是程序后面的数据）

是不能逆着箭头排的

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悲观锁和乐观锁的区别

对比悲观锁与乐观锁

• 悲观锁的代表是 synchronized 和 Lock 锁

  • 其核心思想是【线程只有占有了锁，才能去操作共享变量，每次只有一个线程占锁成功，获取锁失败的线程，都得停下来等待】
  • 线程从运行到阻塞、再从阻塞到唤醒，涉及线程上下文切换，如果频繁发生，影响性能
  • 实际上，线程在获取 synchronized 和 Lock 锁时，如果锁已被占用，都会做几次重试操作，减少阻塞的机会

• 乐观锁的代表是 AtomicInteger，使用 cas （compareAndSetInt方法，比较并交换的缩写）来保证原子性

  • 其核心思想是【无需加锁，每次只有一个线程能成功修改共享变量，其它失败的线程不需要停止，不断重试直至成功】
  • 由于线程一直运行，不需要阻塞，因此不涉及线程上下文切换
  • 它需要多核 cpu 支持，且线程数不应超过 cpu 核数

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cas方法是从乐观的角度出发，假设每次获取数据别人都不会修改，所以不会上锁。只不过在修改共享数据的时候，会检查一下，把传入的旧值和当前共享变量的最新值作比较，来判断别人有没有修改过这个数据。

如果别人修改过，那么我再次获取现在最新的值。

如果别人没有修改过，那么我现在直接修改共享数据的值.(乐观锁）

CAS是要和volatile一起使用，这样才能保证每次看到的共享变量是最新值

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synchronized 加锁是使用的互斥方式，将多行代码作为一个整体执行，保证并发下的原子性

而CAS没有互斥，是并发执行，只是在修改操作时，用比较并交换的原则，来判断传入的旧值和当前获取的最新值是否一致（看看你要更新的值有没有被人修改过），一致才修改成功，不一致则修改失败，修改失败也无所谓，因为乐观锁是不断重试直至成功，在while（true）循环中，再拿到新值，在最新值得基础上做更新操作

下面是代码演示

synchronized 悲观锁

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CAS 乐观锁

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Hashtable 与 ConcurrentHashMap 的区别

Hashtable 对比 ConcurrentHashMap

• Hashtable 与 ConcurrentHashMap 都是线程安全的 Map 集合
• Hashtable 并发度低，整个 Hashtable 对应一把锁，同一时刻，只能有一个线程操作它
• ConcurrentHashMap 并发度高，整个 ConcurrentHashMap 对应多把锁，只要线程访问的是不同锁，那么不会冲突

（Hashtable的底层实现是数组+链表结构实现的；hashtable的容量是质数，有较好的分布性，不需要进行二次哈希）

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ConcurrentHashMap1.7和1.8的区别

ConcurrentHashMap 1.7

• 数据结构：Segment(大数组) + HashEntry(小数组) + 链表，每个 Segment 对应一把锁，如果多个线程访问不同的 Segment，则不会冲突
• 并发度：Segment 数组大小即并发度，决定了同一时刻最多能有多少个线程并发访问。Segment 数组不能扩容，意味着并发度在 ConcurrentHashMap 创建时就固定了
• 索引计算
  • 假设大数组长度是 $2^m$，key 在大数组内的索引是 key 的二次 hash 值的高 m 位（例如：capacity为32，32是2的5次方，取二次hash值高5位，就是前5位，转十进制就得到存储位置索引值）
  • 假设小数组长度是 $2^n$，key 在小数组内的索引是 key 的二次 hash 值的低 n 位
• 扩容：每个小数组的扩容相对独立，小数组在超过扩容因子时会触发扩容，每次扩容翻倍；由于hashtable是加锁了的，即使链表使用头插法，也不会像ConcurrentHashMap那样导致死链
• Segment[0] 原型：首次创建其它小数组时，会以此原型为依据，数组长度，扩容因子都会以原型为准，下图作为演示
  
  新的小数组会根据当前segment[0]做为原型来创建
• 小数组容量最小是2；小数组容量 = 大数组容量 / 可并发数

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下面来个图，有图有真相
并发度决定蓝色数组的大小，容量决定小数组entry的大小

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ConcurrentHashMap 1.8

• 数据结构：Node 数组 + 链表或红黑树，数组的每个头节点作为锁，如果多个线程访问的头节点不同，则不会冲突。首次生成头节点时如果发生竞争，利用 cas 而非 syncronized，进一步提升性能
  

• 并发度：Node 数组有多大，并发度就有多大，与 1.7 不同，Node 数组可以扩容

• 扩容条件：Node 数组满 3/4 时就会扩容，1.7是超出才扩容

• 扩容单位：以链表为单位从后向前迁移链表，迁移完成的将旧数组头节点替换为 ForwardingNode

• 扩容时并发 get

  • 根据是否为 ForwardingNode 来决定是在新数组查找还是在旧数组查找，不会阻塞
    

  • 如果链表长度超过 1，则需要对节点进行复制（创建新节点），怕的是节点迁移后 next 指针改变

  • 如果链表最后几个元素扩容后索引不变，则节点无需复制
    

• 扩容时并发 put

  • 如果 put 的线程与扩容线程操作的链表是同一个，put 线程会阻塞
  • 如果 put 的线程操作的链表还未迁移完成，即头节点不是 ForwardingNode，则可以并发执行
  • 如果 put 的线程操作的链表已经迁移完成，即头结点是 ForwardingNode，则可以协助扩容

• capacity 代表预估的元素个数，capacity / factory 来计算出初始数组大小，需要贴近 $2^n$

例如，要放16个元素（capacity为16），但是数组满扩容因子就会扩容，如果数组长度为16是不够的，所以数组容量 = capacity / factory；简单说就是capacity是数组容量的3/4.

• loadFactor 只在计算初始数组大小时被使用，之后扩容固定为 3/4
• 超过树化阈值时的扩容问题，如果容量已经是 64，直接树化，否则在原来容量基础上做 3 轮扩容

区别

①从底层结构上
1.7ConcurrentHashMap 底层数据结构是Segment(大数组) + HashEntry(小数组) + 链表
而1.8 ConcurrentHashMap 底层数据结构是 数组 + 链表或红黑树，而且链表添加元素上不同于1.7的头插法，而是尾插法

②从初始化的时机上
与 1.7 相比是懒惰初始化，1.7是饿汉式初始化，初始化以后，数组及数组零号元素已经创建出来了，1.8是在第一次put元素时，才会创建底层数组结构，是懒汉式初始化

③从扩容时机上
1.7是容量超出扩容因子才扩容
而1.8是数组满 3/4（或扩容因子*数组容量) 时就会扩容

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ThreadLocal的理解

• ThreadLocal 可以实现【资源对象】的线程隔离，让每个线程各用各的【资源对象】，避免争用引发的线程安全问题
• ThreadLocal 同时实现了线程间的线程隔离和线程内（只要是同一个线程，可以在多个方法中获取同一变量的）资源共享

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原理

每个线程内有一个 ThreadLocalMap 类型的集合，用来存储资源对象

• 调用 set 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，资源对象作为 value，放入当前线程的 ThreadLocalMap 集合中
• 调用 get 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，到当前线程中查找关联的资源值
• 调用 remove 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，移除当前线程关联的资源值

线程间的资源是隔离的，key（ThreadLocal)可以相同，但关联的资源池可能不同

ThreadLocalMap
key 的 hash 值统一分配；初始容量为16；元素个数满2/3（扩容因子），数组扩容原来两倍，索引值相同时，不再使用链表那种拉链法，而是使用开放寻址法（从这索引开始，找下一个空闲位置作为索引位置）。

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ThreadLocalMap中的key为何要设置为弱引用

弱引用 key

ThreadLocalMap 中的 key 被设计为弱引用，原因如下

• Thread 可能需要长时间运行（如线程池中的线程），如果 key 不再使用，需要在内存不足（GC）时释放其占用的内存

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内存释放时机

①被动 GC 释放 key

• 仅是让 key 的内存释放，关联 value 的内存并不会释放

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② 懒惰被动释放 value

• get key 时，发现是 null key，则释放其 value 内存；（当ThreadLocalMap根据key去get值时，发现key不存在，会放入一个为null的key；这是和其他map的不同之处）
• set key 时，会使用启发式扫描，清除临近的 null key 的 value 内存，启发次数与元素个数，是否发现 null key 有关

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③主动 remove 释放 key，value

• 会同时释放 key，value 的内存，也会清除临近的 null key 的 value 内存
• 推荐使用它，因为一般使用 ThreadLocal 时都把它作为静态变量（即强引用），因此无法被动依靠 GC 回收
  
  所以①和②两种方法都不可用，最好还是主动回收掉