并发编程

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并发编程

优缺点

为什么要使用并发编程(并发编程的优点)

并发编程有什么缺点

并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率,提高程序运行速度,但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的,而且并发编程可能会遇到很多问题,比如:内存泄漏、上下文切换、线程安全、死锁等问题。

并发编程三要素是什么?在 Java 程序中怎么保证多线程的运行安全?

并发编程三要素(线程的安全性问题体现在):

原子性:原子,即一个不可再被分割的颗粒。原子性指的是一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败。

可见性:一个线程对共享变量的修改,另一个线程能够立刻看到。(synchronized,volatile)

有序性:程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。(处理器可能会对指令进行重排序)

出现线程安全问题的原因:

解决办法:

并行和并发有什么区别?

做一个形象的比喻:

什么是多线程,多线程的优劣?

多线程:多线程是指程序中包含多个执行流,即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务。

多线程的好处:

可以提高 CPU 的利用率。在多线程程序中,一个线程必须等待的时候,CPU 可以运行其它的线程而不是等待,这样就大大提高了程序的效率。也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。

多线程的劣势:

线程和进程区别

什么是线程和进程?

进程

一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间,一个进程可以有多个线程,比如在Windows系统中,一个运行的xx.exe就是一个进程。

线程

进程中的一个执行任务(控制单元),负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程,一个进程可以运行多个线程,多个线程可共享数据。

进程与线程的区别

线程具有许多传统进程所具有的特征,故又称为轻型进程(Light—Weight Process)或进程元;而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight Process),它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中,通常一个进程都有若干个线程,至少包含一个线程。

根本区别:进程是操作系统资源分配的基本单位,而线程是处理器任务调度和执行的基本单位

资源开销:每个进程都有独立的代码和数据空间(程序上下文),程序之间的切换会有较大的开销;线程可以看做轻量级的进程,同一类线程共享代码和数据空间,每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器(PC),线程之间切换的开销小。

包含关系:如果一个进程内有多个线程,则执行过程不是一条线的,而是多条线(线程)共同完成的;线程是进程的一部分,所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。

内存分配:同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源,而进程之间的地址空间和资源是相互独立的

影响关系:一个进程崩溃后,在保护模式下不会对其他进程产生影响,但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。

执行过程:每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制,两者均可并发执行

什么是上下文切换?

多线程编程中一般线程的个数都大于 CPU 核心的个数,而一个 CPU 核心在任意时刻只能被一个线程使用,为了让这些线程都能得到有效执行,CPU 采取的策略是为每个线程分配时间片并轮转的形式。当一个线程的时间片用完的时候就会重新处于就绪状态让给其他线程使用,这个过程就属于一次上下文切换。 概括来说就是:当前任务在执行完 CPU 时间片切换到另一个任务之前会先保存自己的状态,以便下次再切换回这个任务时,可以再加载这个任务的状态。任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

上下文切换通常是计算密集型的。也就是说,它需要相当可观的处理器时间,在每秒几十上百次的切换中,每次切换都需要纳秒量级的时间。所以,上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间,事实上,可能是操作系统中时间消耗最大的操作。

Linux 相比与其他操作系统(包括其他类 Unix 系统)有很多的优点,其中有一项就是,其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。

守护线程和用户线程有什么区别呢?

main 函数所在的线程就是一个用户线程啊,main 函数启动的同时在 JVM 内部同时还启动了好多守护线程,比如垃圾回收线程。

比较明显的区别之一是用户线程结束,JVM 退出,不管这个时候有没有守护线程运行。而守护线程不会影响 JVM 的退出。

注意事项:

如何在 Windows 和 Linux 上查找哪个线程cpu利用率最高?

windows上面用任务管理器看,linux下可以用 top 这个工具看。

什么是线程死锁

百度百科:死锁是指两个或两个以上的进程(线程)在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程(线程)称为死锁进程(线程)。

多个线程同时被阻塞,它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞,因此程序不可能正常终止。

如下图所示,线程 A 持有资源 2,线程 B 持有资源 1,他们同时都想申请对方的资源,所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

下面通过一个例子来说明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的情况 (代码来源于《并发编程之美》):

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

输出结果:

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁,然后通过Thread.sleep(1000);让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到CPU执行权,然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源,然后这两个线程就会陷入互相等待的状态,这也就产生了死锁。上面的例子符合产生死锁的四个必要条件。

形成死锁的四个必要条件是什么,如何避免线程死锁

我们对线程 2 的代码修改成下面这样就不会产生死锁了。

new Thread(() -> {
    synchronized (resource1) {
        System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
        synchronized (resource2) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
        }
    }
}, "线程 2").start();

输出结果

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 1,5,main]get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource2

我们分析一下上面的代码为什么避免了死锁的发生?

线程 1 首先获得到 resource1 的监视器锁,这时候线程 2 就获取不到了。然后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁,可以获取到。然后线程 1 释放了对 resource1、resource2 的监视器锁的占用,线程 2 获取到就可以执行了。这样就破坏了破坏循环等待条件,因此避免了死锁。创建线程的四种方式

创建线程的四种方式

创建线程有哪几种方式?

说一下 runnable 和 callable 有什么区别?

相同点

主要区别

注:Callalbe接口支持返回执行结果,需要调用FutureTask.get()得到,此方法会阻塞主进程的继续往下执行,如果不调用不会阻塞。

线程的 run()和 start()有什么区别?

每个线程都是通过某个特定Thread对象所对应的方法run()来完成其操作的,run()方法称为线程体。通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程。

start() 方法用于启动线程,run() 方法用于执行线程的运行时代码。run() 可以重复调用,而 start() 只能调用一次。

start()方法来启动一个线程,真正实现了多线程运行。调用start()方法无需等待run方法体代码执行完毕,可以直接继续执行其他的代码; 此时线程是处于就绪状态,并没有运行。 然后通过此Thread类调用方法run()来完成其运行状态, run()方法运行结束, 此线程终止。然后CPU再调度其它线程。

run()方法是在本线程里的,只是线程里的一个函数,而不是多线程的。 如果直接调用run(),其实就相当于是调用了一个普通函数而已,直接待用run()方法必须等待run()方法执行完毕才能执行下面的代码,所以执行路径还是只有一条,根本就没有线程的特征,所以在多线程执行时要使用start()方法而不是run()方法。

为什么我们调用 start() 方法时会执行 run() 方法,为什么我们不能直接调用 run() 方法?

这是另一个非常经典的 java 多线程面试问题,而且在面试中会经常被问到。很简单,但是很多人都会答不上来!

new 一个 Thread,线程进入了新建状态。调用 start() 方法,会启动一个线程并使线程进入了就绪状态,当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作,然后自动执行 run() 方法的内容,这是真正的多线程工作。

而直接执行 run() 方法,会把 run 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行,并不会在某个线程中执行它,所以这并不是多线程工作。

总结: 调用 start 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态,而 run 方法只是 thread 的一个普通方法调用,还是在主线程里执行。

什么是 Callable 和 Future? Callable 接口类似于 Runnable,从名字就可以看出来了,但是 Runnable 不会返回结果,并且无法抛出返回结果的异常,而 Callable 功能更强大一些,被线程执行后,可以返回值,这个返回值可以被 Future 拿到,也就是说,Future 可以拿到异步执行任务的返回值。

Future 接口表示异步任务,是一个可能还没有完成的异步任务的结果。所以说 Callable用于产生结果,Future 用于获取结果。

什么是 FutureTask

FutureTask 表示一个异步运算的任务。FutureTask 里面可以传入一个 Callable 的具体实现类,可以对这个异步运算的任务的结果进行等待获取、判断是否已经完成、取消任务等操作。只有当运算完成的时候结果才能取回,如果运算尚未完成 get 方法将会阻塞。一个 FutureTask 对象可以对调用了 Callable 和 Runnable 的对象进行包装,由于 FutureTask 也是Runnable 接口的实现类,所以 FutureTask 也可以放入线程池中。

线程的状态和基本操作

说说线程的生命周期及五种基本状态?

死亡(dead):线程run()、main()方法执行结束,或者因异常退出了run()方法,则该线程结束生命周期。死亡的线程不可再次复生。

Java 中用到的线程调度算法是什么?

计算机通常只有一个 CPU,在任意时刻只能执行一条机器指令,每个线程只有获得CPU 的使用权才能执行指令。所谓多线程的并发运行,其实是指从宏观上看,各个线程轮流获得 CPU 的使用权,分别执行各自的任务。在运行池中,会有多个处于就绪状态的线程在等待 CPU,JAVA 虚拟机的一项任务就是负责线程的调度,线程调度是指按照特定机制为多个线程分配 CPU 的使用权。 有两种调度模型:分时调度模型和抢占式调度模型。

线程的调度策略

线程调度器选择优先级最高的线程运行,但是,如果发生以下情况,就会终止线程的运行:

(1)线程体中调用了 yield 方法让出了对 cpu 的占用权利

(2)线程体中调用了 sleep 方法使线程进入睡眠状态

(3)线程由于 IO 操作受到阻塞

(4)另外一个更高优先级线程出现

(5)在支持时间片的系统中,该线程的时间片用完

什么是线程调度器(Thread Scheduler)和时间分片(Time Slicing )?

线程调度器是一个操作系统服务,它负责为 Runnable 状态的线程分配 CPU 时间。一旦我们创建一个线程并启动它,它的执行便依赖于线程调度器的实现。

时间分片是指将可用的 CPU 时间分配给可用的 Runnable 线程的过程。分配 CPU 时间可以基于线程优先级或者线程等待的时间。

线程调度并不受到 Java 虚拟机控制,所以由应用程序来控制它是更好的选择(也就是说不要让你的程序依赖于线程的优先级)。

请说出与线程同步以及线程调度相关的方法。

sleep() 和 wait() 有什么区别?

两者都可以暂停线程的执行

你是如何调用 wait() 方法的?使用 if 块还是循环?为什么?

处于等待状态的线程可能会收到错误警报和伪唤醒,如果不在循环中检查等待条件,程序就会在没有满足结束条件的情况下退出。

wait() 方法应该在循环调用,因为当线程获取到 CPU 开始执行的时候,其他条件可能还没有满足,所以在处理前,循环检测条件是否满足会更好。下面是一段标准的使用 wait 和 notify 方法的代码:

synchronized (monitor) {
    //  判断条件谓词是否得到满足
    while(!locked) {
        //  等待唤醒
        monitor.wait();
    }
    //  处理其他的业务逻辑
}

为什么线程通信的方法 wait(), notify()和 notifyAll()被定义在 Object 类里?

Java中,任何对象都可以作为锁,并且 wait(),notify()等方法用于等待对象的锁或者唤醒线程,在 Java 的线程中并没有可供任何对象使用的锁,所以任意对象调用方法一定定义在Object类中。

wait(), notify()和 notifyAll()这些方法在同步代码块中调用

有的人会说,既然是线程放弃对象锁,那也可以把wait()定义在Thread类里面啊,新定义的线程继承于Thread类,也不需要重新定义wait()方法的实现。然而,这样做有一个非常大的问题,一个线程完全可以持有很多锁,你一个线程放弃锁的时候,到底要放弃哪个锁?当然了,这种设计并不是不能实现,只是管理起来更加复杂。

综上所述,wait()、notify()和notifyAll()方法要定义在Object类中。

为什么 wait(), notify()和 notifyAll()必须在同步方法或者同步块中被调用?

当一个线程需要调用对象的 wait()方法的时候,这个线程必须拥有该对象的锁,接着它就会释放这个对象锁并进入等待状态直到其他线程调用这个对象上的 notify()方法。同样的,当一个线程需要调用对象的 notify()方法时,它会释放这个对象的锁,以便其他在等待的线程就可以得到这个对象锁。由于所有的这些方法都需要线程持有对象的锁,这样就只能通过同步来实现,所以他们只能在同步方法或者同步块中被调用。

Thread 类中的 yield 方法有什么作用?

使当前线程从执行状态(运行状态)变为可执行态(就绪状态)。

当前线程到了就绪状态,那么接下来哪个线程会从就绪状态变成执行状态呢?可能是当前线程,也可能是其他线程,看系统的分配了。

为什么 Thread 类的 sleep()和 yield ()方法是静态的?

Thread 类的 sleep()和 yield()方法将在当前正在执行的线程上运行。所以在其他处于等待状态的线程上调用这些方法是没有意义的。这就是为什么这些方法是静态的。它们可以在当前正在执行的线程中工作,并避免程序员错误的认为可以在其他非运行线程调用这些方法。

线程的 sleep()方法和 yield()方法有什么区别?

如何停止一个正在运行的线程?

在java中有以下3种方法可以终止正在运行的线程:-

Java 中 interrupted 和 isInterrupted 方法的区别?

interrupt:用于中断线程。调用该方法的线程的状态为将被置为”中断”状态。

注意:线程中断仅仅是置线程的中断状态位,不会停止线程。需要用户自己去监视线程的状态为并做处理。支持线程中断的方法(也就是线程中断后会抛出interruptedException 的方法)就是在监视线程的中断状态,一旦线程的中断状态被置为“中断状态”,就会抛出中断异常。

interrupted:是静态方法,查看当前中断信号是true还是false并且清除中断信号。如果一个线程被中断了,第一次调用 interrupted 则返回 true,第二次和后面的就返回 false 了。

isInterrupted:查看当前中断信号是true还是false

什么是阻塞式方法?

阻塞式方法是指程序会一直等待该方法完成期间不做其他事情,ServerSocket 的accept()方法就是一直等待客户端连接。这里的阻塞是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起,直到得到结果之后才会返回。此外,还有异步和非阻塞式方法在任务完成前就返回。

Java 中你怎样唤醒一个阻塞的线程?

首先 ,wait()、notify() 方法是针对对象的,调用任意对象的 wait()方法都将导致线程阻塞,阻塞的同时也将释放该对象的锁,相应地,调用任意对象的 notify()方法则将随机解除该对象阻塞的线程,但它需要重新获取该对象的锁,直到获取成功才能往下执行;

其次,wait、notify 方法必须在 synchronized 块或方法中被调用,并且要保证同步块或方法的锁对象与调用 wait、notify 方法的对象是同一个,如此一来在调用 wait 之前当前线程就已经成功获取某对象的锁,执行 wait 阻塞后当前线程就将之前获取的对象锁释放。

notify() 和 notifyAll() 有什么区别?

如果线程调用了对象的 wait()方法,那么线程便会处于该对象的等待池中,等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。

notifyAll() 会唤醒所有的线程,notify() 只会唤醒一个线程。

notifyAll() 调用后,会将全部线程由等待池移到锁池,然后参与锁的竞争,竞争成功则继续执行,如果不成功则留在锁池等待锁被释放后再次参与竞争。而 notify()只会唤醒一个线程,具体唤醒哪一个线程由虚拟机控制。

如何在两个线程间共享数据?

在两个线程间共享变量即可实现共享。

一般来说,共享变量要求变量本身是线程安全的,然后在线程内使用的时候,如果有对共享变量的复合操作,那么也得保证复合操作的线程安全性。

Java 如何实现多线程之间的通讯和协作?

可以通过中断 和 共享变量的方式实现线程间的通讯和协作

比如说最经典的生产者-消费者模型:当队列满时,生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品,而在等待的期间内,生产者必须释放对临界资源(即队列)的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权,那么消费者就无法消费队列中的商品,就不会让队列有空间,那么生产者就会一直无限等待下去。因此,一般情况下,当队列满时,会让生产者交出对临界资源的占用权,并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品,然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地,当队列空时,消费者也必须等待,等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

Java中线程通信协作的最常见的两种方式:

同步方法和同步块,哪个是更好的选择?

同步块是更好的选择,因为它不会锁住整个对象(当然你也可以让它锁住整个对象)。

同步方法会锁住整个对象,哪怕这个类中有多个不相关联的同步块,这通常会导致他们停止执行并需要等待获得这个对象上的锁。

同步块更要符合开放调用的原则,只在需要锁住的代码块锁住相应的对象,这样从侧面来说也可以避免死锁。

请知道一条原则:同步的范围越小越好。

什么是线程同步和线程互斥,有哪几种实现方式?

当一个线程对共享的数据进行操作时,应使之成为一个”原子操作“,即在没有完成相关操作之前,不允许其他线程打断它,否则,就会破坏数据的完整性,必然会得到错误的处理结果,这就是线程的同步。

在多线程应用中,考虑不同线程之间的数据同步和防止死锁。当两个或多个线程之间同时等待对方释放资源的时候就会形成线程之间的死锁。为了防止死锁的发生,需要通过同步来实现线程安全。

线程互斥是指对于共享的进程系统资源,在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时,任何时刻最多只允许一个线程去使用,其它要使用该资源的线程必须等待,直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。

线程间的同步方法大体可分为两类:用户模式和内核模式。顾名思义,内核模式就是指利用系统内核对象的单一性来进行同步,使用时需要切换内核态与用户态,而用户模式就是不需要切换到内核态,只在用户态完成操作。

用户模式下的方法有:原子操作(例如一个单一的全局变量),临界区。内核模式下的方法有:事件,信号量,互斥量。

实现线程同步的方法

在监视器(Monitor)内部,是如何做线程同步的?程序应该做哪种级别的同步?

在 java 虚拟机中,每个对象( Object 和 class )通过某种逻辑关联监视器,每个监视器和一个对象引用相关联,为了实现监视器的互斥功能,每个对象都关联着一把锁。

一旦方法或者代码块被 synchronized 修饰,那么这个部分就放入了监视器的监视区域,确保一次只能有一个线程执行该部分的代码,线程在获取锁之前不允许执行该部分的代码

另外 java 还提供了显式监视器( Lock )和隐式监视器( synchronized )两种锁方案

如果你提交任务时,线程池队列已满,这时会发生什么

这里区分一下:

什么叫线程安全?servlet 是线程安全吗?

线程安全是编程中的术语,指某个方法在多线程环境中被调用时,能够正确地处理多个线程之间的共享变量,使程序功能正确完成。

Servlet 不是线程安全的,servlet 是单实例多线程的,当多个线程同时访问同一个方法,是不能保证共享变量的线程安全性的。

Struts2 的 action 是多实例多线程的,是线程安全的,每个请求过来都会 new 一个新的 action 分配给这个请求,请求完成后销毁。

SpringMVC 的 Controller 是线程安全的吗?不是的,和 Servlet 类似的处理流程。

Struts2 好处是不用考虑线程安全问题;Servlet 和 SpringMVC 需要考虑线程安全问题,但是性能可以提升不用处理太多的 gc,可以使用 ThreadLocal 来处理多线程的问题。

在 Java 程序中怎么保证多线程的运行安全?

你对线程优先级的理解是什么?

每一个线程都是有优先级的,一般来说,高优先级的线程在运行时会具有优先权,但这依赖于线程调度的实现,这个实现是和操作系统相关的(OS dependent)。我们可以定义线程的优先级,但是这并不能保证高优先级的线程会在低优先级的线程前执行。线程优先级是一个 int 变量(从 1-10),1 代表最低优先级,10 代表最高优先级。

Java 的线程优先级调度会委托给操作系统去处理,所以与具体的操作系统优先级有关,如非特别需要,一般无需设置线程优先级。 线程类的构造方法、静态块是被哪个线程调用的 这是一个非常刁钻和狡猾的问题。请记住:线程类的构造方法、静态块是被 new这个线程类所在的线程所调用的,而 run 方法里面的代码才是被线程自身所调用的。

如果说上面的说法让你感到困惑,那么我举个例子,假设 Thread2 中 new 了Thread1,main 函数中 new 了 Thread2,那么:

https://thinkwon.blog.csdn.net/article/details/104863992