Java线程优化和进程的知识笔记面试题总结

r囧r小猫 2021-07-04 23:28 278阅读 0赞

## 什么是线程？ ##

\*\*线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。\*\*程序员可以通过它进行多处理器编程，你可以使用多线程对 运算密集型任务提速。比如，如果一个线程完成一个任务要100毫秒，那么用十个线程完成改任务只需10毫秒。Java在语言层面对多线程提供了卓越的支 持，它也是一个很好的卖点。

## 如何创建一个线程？ ##

**主要有三种方法：**  
第一种：继承Thread类，重写run方法；  
第二种：实现Runnable接口，重写run方法。  
第三种 实现Callable<>接口并重写call方法。  
那么面试官一定会问这两种方法各自的优缺点在哪？  
**（答案：Runnable与Thread，前者的实现方式是实现其接口即可，后者的实现方式是继承其类。两者实现方式带来最明显的区别就是，由于Java不允许多继承，因此实现了Runnable接口可以再继承其他类，但是Thread明显不可以。  
从Thread源码中也可以看到，当以Thread方式去实现资源共享时，实际上源码内部是将thread向下转型为了Runnable，实际上内部依然是以Runnable形式去实现的资源共享  
），**  
我们会得出一个结论，那就是使用方式二，因为面向对象提倡少继承，尽量多用组合。

## Thread 类中的start() 和 run() 方法有什么区别？ ##

这个问题经常被问到，但还是能从此区分出面试者对Java线程模型的理解程度。start()方法被用来启动新创建的线程，而且start()内部 调用了run()方法，这和直接调用run()方法的效果不一样。当你调用run()方法的时候，只会是在原来的线程中调用，没有新的线程启 动，start()方法才会启动新线程。

## Java中Runnable和Callable有什么不同？ ##

Runnable和Callable都代表那些要在不同的线程中执行的任务。Runnable从JDK1.0开始就有了，Callable是在 JDK1.5增加的。它们的主要区别是Callable的 call() 方法可以返回值和抛出异常，而Runnable的run()方法没有这些功能。Callable可以返回装载有计算结果的Future对象。

## 线程池概念和优势 ##

**线程池（英语：thread pool）：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价**

**线程池的优势**  
（1）、降低系统资源消耗，通过重用已存在的线程，降低线程创建和销毁造成的消耗；  
（2）、提高系统响应速度，当有任务到达时，通过复用已存在的线程，无需等待新线程的创建便能立即执行；  
（3）方便线程并发数的管控。因为线程若是无限制的创建，可能会导致内存占用过多而产生OOM，并且会造成cpu过度切换（cpu切换线程是有时间成本的（需要保持当前执行线程的现场，并恢复要执行线程的现场））。  
（4）提供更强大的功能，延时定时线程池。

## 多线程优化及性能比较 ##

**第一种：ThreadPool（线程池）+CountDownLatch（程序计数器）**

顾名思义，CountDownLatch为线程计数器，他的执行过程如下：首先，在主线程中调用await()方法，主线程阻塞，然后，将程序计数器作为参数传递给线程对象，最后，每个线程执行完任务后，调用countDown()方法表示完成任务。countDown()被执行多次后，主线程的await()会失效。  
　　  
**第二种：Fork/Join框架**  
**Jdk从版本7开始，出现了Fork/join框架，从字面来理解，fork就是拆分，join就是合并，所以，该框架的思想就是。通过fork拆分任务，然后join来合并拆分后各个人物执行完毕后的结果并汇总。**

比如，我们要计算连续相加的几个数，2+4+5+7=？，我们利用Fork/join框架来怎么完成呢，思想就是拆分子任务，我们可以把这个运算拆分为两个子任务，一个计算2+4，另一个计算5+7，这是Fork的过程，计算完成后，把这两个子任务计算的结果汇总，得到总和，这是join的过程。

Fork/Join框架执行思想：首先，分割任务，使用fork类将大任务分割为若干子任务，这个分割过程需要按照实际情况来定，直到分割出的任务足够小。然后，join类执行任务，分割的子任务在不同的队列里，几个线程分别从队列里获取任务并执行，执行完的结果放到一个单独的队列里，最后，启动线程，队列里拿取结果并合并结果。

使用Fork/Join框架要用到几个类，关于类的使用方式可以参考JDK的API，使用该框架，首先需要继承ForkJoinTask类，通常，只需要继承他的子类RecursiveTask或RecursiveAction即可，RecursiveTask，用于有返回结果的场景，RecursiveAction用于没有返回结果的场景。ForkJoinTask的执行需要用到ForkJoinPool来执行，该类用于维护分割出的子任务添加到不同的任务队列。

**第三种JDK8并行流，下面对这几种方式的多线程处理性能做一下比较总结。**  
**并行流是jdk8的新特性之一，思想就是将一个顺序执行的流变为一个并发的流，通过调用parallel()方法来实现。**  
并行流将一个流分成多个数据块，用不同的线程来处理不同的数据块的流，最后合并每个块数据流的处理结果，类似于Fork/Join框架。

并行流默认使用的是公共线程池ForkJoinPool，他的线程数是使用的默认值，根据机器的核数，我们可以适当调整线程数的大小。线程数的调整通过以下方式来实现

以单线程作为参考，耗时最长的还是原生的Fork/Join框架，这里边尽管配置了线程池的数量，但效果较精确配置了线程池数量的JDK8并行流较差。并行流实现代码简单易懂，不需要我们写多余的for循环，一个parallelStream方法全部搞定，代码量大大的减少了，**其实，并行流的底层还是使用的Fork/Join框架**，这就要求我们在开发的过程中灵活使用各种技术，分清各种技术的优缺点，从而能够更好的为我们服务。

## Java中的volatile 变量是什么？ ##

**volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的**

## 什么是线程安全？Vector是一个线程安全类吗？ ##

**代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量 的值也和预期的是一样的，就是线程安全的**。  
一个线程安全的计数器类的同一个实例对象在被多个线程使用的情况下也不会出现计算失误。很显然你可以将集合类分 成两组，线程安全和非线程安全的。Vector 是用同步方法来实现线程安全的, 而和它相似的ArrayList不是线程安全的。

## Java中notify 和 notifyAll有什么区别？ ##

因为多线程可以等待单监控锁，Java API 的设计人员提供了一些方法当等待条件改变的时候通知它们，但是这些方法没有完全实现。**notify()方法不能唤醒某个具体的线程，所以只有一个线程在等 待的时候它才有用武之地。而notifyAll()唤醒所有线程并允许他们争夺锁确保了至少有一个线程能继续运行。**

## 什么是ThreadLocal变量和sychronized？ ##

ThreadLocal使用场合主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，单大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。

**ThreadLocal不能使用原子类型，只能使用Object类型。ThreadLocal的使用比synchronized要简单得多。**

**ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别。**  
**synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。**  
**而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。**  
而Synchronized却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。

## Java多线程中的死锁 ##

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。这是一个严重的问题，因为死锁会让你的程序挂起无法完成任务，死锁的发生必须满足以下四个条件：

互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
    
        请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
    
        不剥夺条件：进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
    
        循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

**避免死锁最简单的方法就是阻止循环等待条件，将系统中所有的资源设置标志位、排序，规定所有的进程申请资源必须以一定的顺序（升序或降序）做操作来避免死锁。**  
或者是银行家算法，是由艾兹格·迪杰斯特拉在1965年为T.H.E系统设计的一种避免死锁产生的算法。它以银行借贷系统的分配策略为基础，判断并保证系统的安全运行

## 怎么检测一个线程是否拥有锁？ ##

java.lang.Thread中有一个方法叫holdsLock()，它返回true如果当且仅当当前线程拥有某个具体对象的锁。

## Java中ConcurrentHashMap的并发度是什么？ ##

ConcurrentHashMap把实际map划分成若干部分来实现它的可扩展性和线程安全。这种划分是使用并发度获得的，它是 ConcurrentHashMap类构造函数的一个可选参数，默认值为16，这样在多线程情况下就能避免争用。  
**拓展：**  
**JDK1.8版本的ConcurrentHashMap的数据结构已经接近HashMap，相对而言，ConcurrentHashMap只是增加了同步的操作来控制并发，从JDK1.7版本的ReentrantLock+Segment+HashEntry，到JDK1.8版本中synchronized+CAS+HashEntry+红黑树**,  
**相对而言，总结如下思考**

*  JDK1.8的实现降低锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segment的，包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）
 *  JDK1.8版本的数据结构变得更加简单，使得操作也更加清晰流畅，因为已经使用synchronized来进行同步，所以不需要分段锁的概念，也就不需要Segment这种数据结构了，由于粒度的降低，实现的复杂度也增加了
 *  JDK1.8使用红黑树来优化链表，基于长度很长的链表的遍历是一个很漫长的过程，而红黑树的遍历效率是很快的，代替一定阈值的链表，这样形成一个最佳拍档

## JDK1.8为什么使用内置锁synchronized来代替重入锁ReentrantLock原因有：？ ##

*  因为粒度降低了，在相对而言的低粒度加锁方式，synchronized并不比ReentrantLock差，在粗粒度加锁中ReentrantLock可能通过Condition来控制各个低粒度的边界，更加的灵活，而在低粒度中，Condition的优势就没有了
 *  JVM的开发团队从来都没有放弃synchronized，而且基于JVM的synchronized优化空间更大，使用内嵌的关键字比使用API更加自然
 *  在大量的数据操作下，对于JVM的内存压力，基于API的ReentrantLock会开销更多的内存，虽然不是瓶颈，但是也是一个选择依据

## Java线程池中submit() 和 execute()方法有什么区别？ ##

两个方法都可以向线程池提交任务，**execute()方法的返回类型是void**，它定义在Executor接口中, **而submit()方法可以返回持有计算结果的Future对象**，它定义在ExecutorService接口中，它扩展了Executor接口，其它线 程池类像ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor都有这些方法。

## 多线程最佳实践方法 ##

以下三条最佳实践我觉得大多数Java程序员都应该遵循：

1.  **给你的线程起个有意义的名字**  
    这样可以方便找bug或追踪。OrderProcessor, QuoteProcessor or TradeProcessor 这种名字比 Thread-1. Thread-2 and Thread-3 好多了，给线程起一个和它要完成的任务相关的名字，所有的主要框架甚至JDK都遵循这个最佳实践。
2.  **避免锁定和缩小同步的范围**  
    锁花费的代价高昂且上下文切换更耗费时间空间，试试最低限度的使用同步和锁，缩小临界区。因此相对于同步方法我更喜欢同步块，它给我拥有对锁的绝对控制权。
3.  **多用同步类少用wait 和 notify**  
    首先，CountDownLatch, Semaphore, CyclicBarrier 和 Exchanger 这些同步类简化了编码操作，而用wait和notify很难实现对复杂控制流的控制。其次，这些类是由最好的企业编写和维护在后续的JDK中它们还会不断 优化和完善，使用这些更高等级的同步工具你的程序可以不费吹灰之力获得优化。
4.  **多用并发集合少用同步集合**  
    这是另外一个容易遵循且受益巨大的最佳实践，并发集合比同步集合的可扩展性更好，所以在并发编程时使用并发集合效果更好。如果下一次你需要用到map，你应该首先想到用ConcurrentHashMap。

## Java多线程中调用wait() 和 sleep()方法有什么不同？ ##

Java程序中wait 和 sleep都会造成某种形式的暂停，它们可以满足不同的需要。wait()方法用于线程间通信，如果等待条件为真且其它线程被唤醒时它会释放锁，而 sleep()方法仅仅释放CPU资源或者让当前线程停止执行一段时间，但不会释放锁。