多线程面试题整理（1）

自己整理的一些多线程面试题，持续更新

多线程编程的好处

程序中启用多个线程并发执行以提高程序的效率，多个线程共享heap memory，创建多个线程充分利用CPU资源，创建多个线程执行任务比创建多个进程要好

用户线程和守护线程

用户线程是用户在java程序中创建的线程，称为用户线程；
守护线程是程序在后台执行且并不会阻止JVM终止的线程，当没有用户线程运行的时候，JVM关闭程序并且推出，但守护线程仍然继续执行；守护线程创建的子线程依然是守护线程

守护线程简介

- 守护线程是指在程序运行的时候在后台提供一种通用服务的线程，比如垃圾回收线程；如果用户线程已经全部退出运行了，只剩下守护线程存在，虚拟机也就退出了
- 在线程启动之前，通过setDaemon(true)方法来将线程设置为守护线程：
daemonThread.setDaemon(true);

- 守护线程的优先级很低，不能安排重要的任务
- 当全部用户线程结束时，虚拟机推出，守护线程也自动结束

简述线程生命周期

- java线程生命周期包括新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态
- 5个生命周期描述：
1. 新建(New)：当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，JVM为其分配内存并初始化成员变量
2. 就绪（Runnable）：调用线程的start()方法后，线程就处于就绪状态，JVM会为其创建方法调用栈和程序计数器，等待调度运行
3. 运行（Running）：就绪中的线程获得了CPU时间片，开始执行run()方法的线程体
4. 阻塞(Blocked)：当发生如下情况时，线程将会进入阻塞状态；从阻塞状态只能进入Runnable状态，无法直接进入Running状态
```
1 线程调用sleep()方法主动放弃所占用的处理器资源

2 线程调用了一个阻塞式IO方法，在该方法返回之前，该线程被阻塞

3 线程试图获得一个同步监视器（即对象的同步锁），但该同步监视器正被其他线程所持有

4 线程中运行的对象调用了wait()方法，线程进入了等待队列，在等待某个通知（notify or notifyALl()）

5 程序调用了线程的suspend()方法将该线程挂起。但这个方法容易导致死锁，所以应该尽量避免使用该方法
```
5. 死亡(Dead)：线程会以如下3种方式结束，结束后就处于死亡状态:
```
1 run()或call()方法执行完成，线程正常结束

2 线程抛出一个未捕获的Exception或Error

3 直接调用该线程stop()方法来结束该线程——该方法容易导致死锁，通常不推荐使用
```

线程生命周期示意图：

简单描述这三个方法wait(), notify()和notifyAll()三个方法

- java线程并没有适用于所有对象的锁和同步器，因此需要Object类自己拥有这样的方法来保证线程间通信
- 当前线程调用对象的wait()方法，释放该对象的同步锁，进入该对象的wait queue；该方法必须在对象的同步方法和同步块中被调用；当其他线程调用notify()或notifyAll()时，wait queue中的某个线程或者全部线程被唤醒，进入对象的锁池；唤醒后的线程何时能够获得对象锁，完全凭运气

什么是上下文切换（context-switching）

存储和恢复CPU状态的过程，使得线程执行能够从中断点恢复执行。上下文切换是多任务操作系统和多线程环境的基本特征。

yield()方法简介

- 当前线程调用此方法，放弃获取的CPU时间片，由Running状态变回Runnable状态，让系统再次选择线程
- 实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中
- yield()方法不会导致线程Blocked
- 该方法是Thread的静态方法，当前线程调用Thread.yield()使其让出CPU时间片

sleep()方法简介

- 当前线程调用Thread.sleep(long millis)方法强制该线程休眠，进入Blocked状态
- 线程进入休眠后，不会释放之前已经获得的同步锁
- 休眠一定时间后线程回到Runnable状态

简单介绍Thread对象的join()方法

- 使用场景：如果需要让子线程subThread执行完再结束主线程，那么可以在main方法中直接调用子线程subThread.join()方法，让主线程进入wait状态，让subThread执行完，再重新执行主线程
- 原理：API中叙述如下：

public final void join() throws InterruptedException Waits for this thread to die. Throws: InterruptedException - if any thread has interrupted the current thread. The interrupted status of the current thread is cleared when this exception is thrown.

意思就是说，join()可以让调用这个方法的线程进入wait状态直到子线程结束

从join()的JDK源码角度来理解：

//这个方法是个同步方法，就是说调用子线程的父线程必须拿到子线程对象的锁才能使join()起作用
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {  long base = System.currentTimeMillis();  //调用开始时间long now = 0;  if (millis < 0) {  //join方法中传入的毫秒值不能为负，否则报错throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");  }  //我们可以看到这里使用了while循环做判断的，然后调用wait方法的，所以说join方法的执行是完全通过wait方法实现的  //等待时间为0的时候，就是无限等待，直到线程死亡了(即线程执行完了)  if (millis == 0) {  //join()传入的毫秒值默认为0while (isAlive()) {  //只有当子线程为就绪、运行或阻塞状态时返回ture，新建但未start或者死亡状态返回false//调用该线程的join方法的父线程拿到锁之后，进入等待队列(wait queue)，直到子线程执行结束（即子线程的isAlive()方法返回false）wait(0);  }  } else {  //如果父线程调用join()方法时传入了特定的毫秒值while (isAlive()) {  //同样是子线程状态为就绪、运行或阻塞状态时返回turelong delay = millis - now;if (delay <= 0) {  break;  }  wait(delay);  now = System.currentTimeMillis() - base;//父线程在等待队列中先等待delay时间，等delay时间过了就恢复（前提是子线程还没结束）}  }
}

综上所述，父线程调用子线程的join方法目的就是让父线程暂停执行，待子线程结束后再恢复；或者制定join某个时间，当到时间后，不管子线程有没有执行网，父线程都会恢复

如何保证线程安全

- 同步锁
- 使用原子类（atomic concurrent class）：该类位于java.util.concurrent.atomic包中，这些类保证在多线程环境下，当某个线程执行atomic的方法时不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个线程执行。Atomic类在软件层面上是非阻塞的，它的原子性其实是在硬件层面上借助相关的指令来保证的。使用Atomic类时不再需要人为添加synchronized关键字来保证同步性
- 实现并发锁
- 使用volatile关键字
- 使用不变类
- 使用线程安全类

同步方法和同步块，哪个是更好的选择？简述两种同步方式的区别

同步块是更好的选择，它可以指定线程需要获取哪个对象的同步锁才能执行对应的方法，不局限于某个具体的同步方法，灵活性较高
- 同步方法：通过将某个类的方法声明为同步方法，来保证同一时间只有一个线程能够获得该类实例对象的同步锁，来执行这个同步方法，与此同时，其他线程都无法访问这个同步方法以及同步块，但可以访问这个对象中的非同步部分；同步方法的锁是当前对象的锁
- 同步块：当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，它就获得了这个object的对象锁，其他原理跟同步方法一致

- 两者的差异：
1. 灵活性：同步块不但可以指定获取当前对象的锁才能访问同步代码（synchronized(this)），还可以指定需要获取其他对象的锁才能访问（synchronized(otherObject)）；
2. 效率：同步的范围越多，越影响程序执行效率，因此用同步代码块可以尽量缩小影响范围，有时候只需要将一个方法中该同步的地方同步了就行了，比如运算

什么是ThreadLocal？

- 为了保证对象的全局变量的线程安全，当不想使用同步时，可以选择使用ThreadLocal类
- 单个线程使用ThreadLocal对象的get()set()方法去获取他们的默认值或者在线程内部改变他们的值
- 实现方式：当多个线程需要访问同一个共享变量时，将该变量保存到ThreadLocal对象的ThreadLocalMap映射表中保存为副本，key为保存该变量的线程实例本身，这样就能实现每个线程在使用该共享变量时不受其他线程影响

什么是Thread Group？

ThreadGroup API提供了两个功能：
- 获取线程组中处于活跃状态线程的列表
- 为线程设置未捕获异常处理器Uncaught exception handler（此功能在JDK1.5后已经被Thread类的setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)方法取代）

说说UncaughtExceptionHandler接口

- 当单线程的程序发生一个未捕获的异常时我们可以采用try....catch进行异常的捕获，但是在多线程环境中，线程抛出的异常是不能用try....catch捕获的，这样就有可能导致一些问题的出现，比如异常的时候无法回收一些系统资源，或者没有关闭的链接
- 使用方法：实现UncaughtExceptionHandler接口,重写uncaughtException方法，定制异常捕获后需要进行的操作

class ExceptionHandler implements UncaughtExceptionHandler
{  @Override  public void uncaughtException(Thread t, Throwable e)  {  System.out.println("==Exception: "+e.getMessage());  }
}

- 启用该实现：

Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new ExceptionHandler());
Thread thread = new Thread(new Task());
thread.start();

什么是Java线程转储(Thread Dump)，如何得到它？

- 线程转储是一个JVM活动线程的列表，它对于分析系统瓶颈和死锁非常有用。有很多方法可以获取线程转储——使用Profiler，Kill -3命令，jstack工具等等

什么是死锁（DeadLock）？如何分析和避免死锁？写一个简单的demo描述什么是死锁

两个线程A和B，如果线程A持有锁L并且想获得锁M，线程B持有锁M并且想获得锁L，那么这两个线程将永远等待下去，这种情况就是最简单的死锁形式。JVM中，当一组JAVA线程发生死锁时，这两个线程就永远无法使用了。
例子：
- x对象和y对象是线程t1和t2的共享资源，t1需要获取y对象的同步锁执行完y的同步方法后才能释放x对象的同步锁，而t2需要获取x对象的同步锁执行完x的同步方法才能释放y对象的同步锁，因此造成了死锁：

class X{public synchronized void doFirst(Y y){System.out.println("当前运行:"+Thread.currentThread.getName()+"的doFirst()方法");Thread.sleep(1000);y.doSecond();}public synchronized void doSecond(){System.out.println("当前运行:"+Thread.currentThread.getName()+"的doSecond()方法");}
}class Y{public synchronized void doFirst(X x){System.out.println("当前运行:"+Thread.currentThread.getName()+"的doFirst()方法");Thread.sleep(1000);x.doSecond();}public synchronized void doSecond(){System.out.println("当前运行:"+Thread.currentThread.getName()+"的doSecond()方法");}
}public class Run implements Runnable{public int flag;static X x = new X(), Y y = new Y();Run run1 = new Run();Run run2 = new Run();run1.flag = 1;run2.flag = 0;Thread t1 = new Thread(run1);Thread t2 = new Thread(run2);t1.start();t2.start();public void run(){if(flag == 1){x.doFirst(y);}if(flag == 0){y.doFirst(x);}}
}

- 如何分析死锁：分析死锁需要查看Java应用程序的线程转储，找出那些状态为Blocked的线程和他们等待的资源。每个资源都有一个唯一的id，用这个id我们可以找出哪些线程已经拥有了它的对象锁：
1. 控制台输入jps获得当前JVM进程的pid
2. 输入jstack以及进程pid，打印当前进程堆栈，就可以发现哪些线程处于死锁状态及其等待的同步锁对象id

- 避免死锁：
1. 尽量让线程每次至多获得一个锁
2. 设计程序时尽量减小嵌套加锁的情况
3. 利用Lock功能代替synchronized来获取锁：object.lock.tryLock()，当获取到object对象的锁后才返回true，以此执行同步操作，最后使用object.lock.unLock()方法来手动释放同步锁

什么是线程池？如何创建一个Java线程池？

- 线程池管理了一组工作线程，便于对线程进行统一分配、调优和监控，同时还包括了一个用于放置等待执行的任务队列
- 使用线程池有如下好处：
1. 降低资源消耗：重复利用已经创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗
2. 提高相应速度：任务到达时不需要等到线程创建就能立即执行
3. 提高线程的可管理性
- 使用使用JDK自带的ExecutorService接口及其实现来进行线程池操作：
1. 通过ThreadPoolExecutor来创建线程池

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, threadFactory,handler);

2. 通过execute()方法或者submit()方法来执行任务,均传入Runnable对象，不同之处在于submit()可返回任务执行的结果

3. 通过shutdown()和shutdownNow()来关闭线程池

简述volatile关键字的作用及其原理

- 相比于synchronized，volatile是一个轻量级锁，使用volatile不会引起上下文切换和调度，提高了程序执行效率
- 通过volatile关键字修饰某个变量，可以保证所有使用这个变量的线程看到的变量值都是一致的，如果某线程对该变量进行了修改，那么其他线程可以立马看到修改结果，保证了线程可见性
- 实现原理简介：
并发编程有三个基本概念：原子性、可见性、有序性
1. 原子性：类似于数据库事务操作的原子性，某项操作执行的过程中要么成功要么失败，中途不能被其他因素（其他线程）打扰，volatile无法保证程序执行的原子性，仅能通过synchronized等同步方式来实现
2. 可见性：多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值，volatile就能保证可见性，对应到操作系统内存模型中，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存，其他线程读取该共享变量时会直接读取主内存中的最新数据
3. 有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序进行执行；JVM内存模型中，为了提高程序执行效率会对程序进行重排序，涉及volatile修饰变量的操作将不会进行重排序，以此保证了程序执行的有序性，让每个线程获取的变量都是正确的值

JVM底层的volatile机制是采用内存屏障来实现的