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（Java实习生）每日10道面试题打卡——Java多线程篇 (二)

发布于2021-05-30 19:26 阅读(959) 评论(0) 点赞(2) 收藏(1)

临近秋招，备战暑期实习，祝大家每天进步亿点点！Day12
本篇总结的是 Java 多线程 相关的面试题，后续会每日更新~

在这里插入图片描述

1、是否了解volatile关键字？能否解释下它和synchronized有什么区别？

线程安全行：

线程安全性包括三个方面，①可见性，②原子性，③ 有序性。

volatile特性

参考文章： volatile关键字
volatile 保证线程可见性案例：使用Volatile关键字的案例分析
源码分析文章参考：java同步系列之volatile解析

通俗来说就是，线程A对一个volatile变量的修改，对于其它线程来说是可见的，即线程每次获取volatile变量的值都是最新的。

二者对比

volatile是轻量级的synchronized，保证了共享变量的可见性，被volatile关键字修饰的变量，如果值发生了变化，其他线程立刻可见，避免出现脏读现象！
volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。
synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。
volatile：保证可见性，但是不能保证原子性
synchronized：保证可见性，也保证原子性

使用场景：

对变量的写操作不依赖当前值，如多线程下执行a++，是无法通过volatile保证结果原子性的;

例：volatile int i = 0;并且大量线程调用i的自增操作，那么 volatile 可以保证变量的安全吗？

不可以保证!，volatile不能保证变量操作的原子性！

自增操作包括三个步骤，分别是：读取，加一，写入，由于这三个子操作的原子性不能被保证，那么n个线程总共调用n次i++的操作后，最后的i的值并不是大家想的n，而是一个比n小的数！
解释：
- 比如A线程执行自增操作，刚读取到i的初始值0，然后就被阻塞了！
- B线程现在开始执行，还是读取到i的初始值0，执行自增操作，此时i的值为1
- 然后A线程阻塞结束，对刚才拿到的0执行加1与写入操作，执行成功后，i的值被写成1了！
- 我们预期输出2，可是输出的是1，输出比预期小！

代码实例：

public class VolatileTest {
    public volatile int i = 0;
 
    public void increase() {
        i++;
    }
 
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
        VolatileTest test = new VolatileTest();
        for (int j = 0; j < 10000; j++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    test.increase();
                }
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }
 
        // 等待所有线程执行完毕
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.print(test.i);// 输出9995
    }
}

总结：

volatile不需要加锁，因此不会造成线程的阻塞，而且比synchronized更轻量级，而synchronized可能导致线程的阻塞！volatile由于禁止了指令重排，所以JVM相关的优化没了，效率会偏弱！

JAVA内存模型简称 JMM：

JMM规定所有的变量存在在主内存，每个线程有自己的工作内存,线程对变量的操作都在工作内存中进行，
不能直接对主内存就行操作。

使用volatile修饰变量，每次读取前必须从主内存属性最新的值，每次写入需要立刻写到主内存中，
volatile关键字修修饰的变量随时看到的自己的最新值，假如线程1对变量v进行修改，那么线程2是可以马上看见！

2、volatile可以避免指令重排，能否解释下什么是指令重排？

指令重排序分两类：
- 编译器重排序
- 运行时重排序

JVM在编译java代码或者CPU执行JVM字节码时，对现有的指令进行重新排序，主要目的是为了优化运行效率(不改变程序结果的前提)

int a = 3;     // step:1
int b = 4;     // step:2
int c =5;      // step:3 
int h = a*b*c; // step:4

定义顺序: 1,2,3,4
计算顺序: 1,3,2,4 和 2,1,3,4 结果都是一样的

虽然指令重排序可以提高执行效率，但是多线程上可能会影响结果，有什么解决办法？
解决办法：内存屏障(了解即可~)
- 内存屏障是屏障指令，使CPU对屏障指令之前和之后的内存操作执行结果的一种约束!

扩展：现行发生原则happens-before(了解即可~)

volatile 的内存可见性就体现了先行发生原则！

3、介绍一下并发编程三要素？

原子性
有序性
可见性

3.1 原子性

一个不可再被分割的最小颗粒，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，期间不能被中断，也不存在上下文切换，线程切换会带来原子性的问题！

int num = 1; // 原子操作
num++;       // 非原子操作，从主内存读取num到线程工作内存，进行+1，再把num写回到主内存, 
		    // 除非用原子类：即，java.util.concurrent.atomic里的原子变量类

// 解决办法是可以用synchronized 或 Lock(比如ReentrantLock) 来把这个多步操作“变成”原子操作
// 这里不能使用volatile，前面有说到：对变量的写操作不依赖当前值，如多线程下执行a++，是无法通过volatile保证结果原子性的
public class XdTest {
    
    // 方式1：使用原子类
    // AtomicInteger  num = 0;// 这种方式的话++操作就可以保证原子性了，而不需要再加锁了
    private int num = 0;
    
    // 方式2：使用lock，每个对象都是有锁，只有获得这个锁才可以进行对应的操作
    Lock lock = new ReentrantLock();
    public  void add1(){
        lock.lock();
        try {
            num++;
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    // 方式3：使用synchronized，和上述是一个操作，这个是保证方法被锁住而已，上述的是代码块被锁住
    public synchronized void add2(){
        num++;
    }
}

解决核心思想：把一个方法或者代码块看做一个整体，保证是一个不可分割的整体！

3.2 有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行，因为处理器可能会对指令进行重排序JVM在编译java代码或者CPU执行JVM字节码时，对现有的指令进行重新排序，主要目的是优化运行效率(不改变程序结果的前提)

int a = 3;     // step:1
int b = 4;     // step:2
int c =5;      // step:3 
int h = a*b*c; // step:4

定义顺序: 1,2,3,4
计算顺序: 1,3,2,4 和 2,1,3,4 结果都是一样的（单线程情况下）
指令重排序可以提高执行效率，但是多线程上可能会影响结果!

假如下面的场景：

// 线程1
before();// 处理初始化工作，处理完成后才可以正式运行下面的run方法
flag = true; // 标记资源处理好了，如果资源没处理好，此时程序就可能出现问题
// 线程2
while(flag){
    run(); // 执行核心业务代码
}

// -----------------指令重排序后，导致顺序换了，程序出现问题，且难排查-----------------

// 线程1
flag = true; // 标记资源处理好了，如果资源没处理好，此时程序就可能出现问题
// 线程2
while(flag){
    run(); // 执行核心业务代码
}
before();// 处理初始化工作，处理完成后才可以正式运行下面的run方法

3.3 可见性

一个线程A对共享变量的修改，另一个线程B能够立刻看到！

// 线程 A 执行
int num = 0;
// 线程 A 执行
num++;
// 线程 B 执行
System.out.print("num的值：" + num);

线程A执行 i++ 后再执行线程B，线程B可能有2个结果，可能是0和1。

因为i++ 在线程A中执行运算，并没有立刻更新到主内存当中，而线程B就去主内存当中读取并打印，此时打印的就是0；也可能线程A执行完成更新到主内存了,线程B的值是1。

所以需要保证线程的可见性：
synchronized、lock 和 volatile 都能够保证线程可见性。

volatile 保证线程可见性案例：使用Volatile关键字的案例分析

4、Java里面有哪些锁？分别介绍一下？

① 乐观锁/悲观锁

悲观锁：
- 当线程去操作数据的时候，总认为别的线程会去修改数据，所以它每次拿数据的时候总会上锁，别的线程去拿数据的时候就会阻塞，比如synchronized
乐观锁：
- 每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，更新的时候会判断是别人是否回去更新数据，通过版本来判断，如果数据被修改了就拒绝更新，比如CAS是乐观锁，但严格来说并不是锁，通过原子性来保证数据的同步，比如说数据库的乐观锁，通过版本控制来实现，CAS不会保证线程同步，乐观的认为在数据更新期间没有其他线程影响
小结：悲观锁适合写操作多的场景，乐观锁适合读操作多的场景，乐观锁的吞吐量会比悲观锁大！

② 公平锁/非公平锁

公平锁：
- 指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，简单来说如果一个线程组里，能保证每个线程都能拿到锁比如ReentrantLock(底层是同步队列FIFO: First Input First Output来实现)
非公平锁：
- 获取锁的方式是随机获取的，保证不了每个线程都能拿到锁，也就是存在有线程饿死，一直拿不到锁，比如synchronized、ReentrantLock
小结：非公平锁性能高于公平锁，更能重复利用CPU的时间。ReentrantLock中可以通过构造方法指定是否为公平锁，默认为非公平锁！synchronized无法指定为公平锁，一直都是非公平锁。

③ 可重入锁/不可重入锁

可重入锁：
- 也叫递归锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，并且不发生死锁。一个线程获取锁之后再尝试获取锁时会自动获取锁，可重入锁的优点是避免死锁。
不可重入锁：
- 若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞
小结：可重入锁能一定程度的避免死锁 synchronized、ReentrantLock都是可重入锁！

④ 独占锁/共享锁

独享锁，是指锁一次只能被一个线程持有。
- 也叫X锁/排它锁/写锁/独享锁：该锁每一次只能被一个线程所持有，加锁后任何线程试图再次加锁的线程会被阻塞，直到当前线程解锁。例子：如果线程A 对 data1 加上排他锁后，则其他线程不能再对 data1 加任何类型的锁，获得独享锁的线程即能读数据又能修改数据！
共享锁，是指锁一次可以被多个线程持有。
- 也叫S锁/读锁，能查看数据，但无法修改和删除数据的一种锁，加锁后其它用户可以并发读取、查询数据，但不能修改，增加，删除数据，该锁可被多个线程所持有，用于资源数据共享！

ReentrantLock和synchronized都是独享锁，ReadWriteLock的读锁是共享锁，写锁是独享锁。

⑤ 互斥锁/读写锁

与独享锁/共享锁的概念差不多，是独享锁/共享锁的具体实现。

ReentrantLock和synchronized都是互斥锁，ReadWriteLock是读写锁

⑥ 自旋锁

自旋锁：
- 一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环，任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。
- 不会发生线程状态的切换，一直处于用户态，减少了线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。
常见的自旋锁：TicketLock，CLHLock，MSCLock

⑦ 死锁

死锁：
- 两个或两个以上的线程在执行过程中，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，它们都将无法让程序进行下去！

在这里插入图片描述

下面三种是Jvm为了提高锁的获取与释放效率而做的优化针对Synchronized的锁升级，锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明，是不可逆的过程

偏向锁：
- 一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，获取锁的代价更低!
轻量级锁：
- 当锁是偏向锁的时候，被其他线程访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，但不会阻塞，且性能会高点!
重量级锁：
- 当锁为轻量级锁的时候，其他线程虽然是自旋，但自旋不会一直循环下去，当自旋一定次数的时候且还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁升级为重量级锁，重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能也会降低!

5、介绍下你对synchronized的理解？

源码分析文章参考：java同步系列之synchronized解析

synchronized 是解决线程安全的问题，常用在同步普通方法、静态方法、代码块中使用！
synchronized 非公平、可重入锁！
每个对象有一个锁和一个等待队列，锁只能被一个线程持有，其他需要锁的线程需要阻塞等待。锁被释放后，对象会从队列中取出一个并唤醒，唤醒哪个线程是不确定的，不保证公平性

6、解释下什么是CAS？以及ABA问题？

这里推荐大家看一下这篇文章：Java并发基石CAS原理以及ABA问题，从简单 CAS的入门使用到分析原理！

7、ReentrantLock和synchronized的差别?

ReentrantLock和synchronized都是独占锁，可重入锁，悲观锁
synchronized：
- 1、java内置关键字
- 2、无法判断是否获取锁的状态，只能是非公平锁！
- 3、加锁解锁的过程是隐式的，用户不用手动操作，优点是操作简单但显得不够灵活
- 4、一般并发场景使用足够、可以放在被递归执行的方法上，且不用担心线程最后能否正确释放锁
ReentrantLock：
- 1、是个Lock接口的实现类
- 2、可以判断是否获取到锁，可以为公平锁也可以是非公平锁(默认)
- 3、需要手动加锁和解锁，且解锁的操作尽量要放在finally代码块中，保证线程正确释放锁
- 5、创建的时候通过传进参数true 创建公平锁，如果传入的是false或没传参数则创建的是非公平锁
- 6、底层是AQS的 state 和 FIFO 队列来控制加锁。