面试重点：建立Java并发知识体系（含工具全图鉴）

Posted 2022-09-15 imooc慕课君

大家好，我是悟空。先做个简单自我介绍:

硕士毕业于世界排名Top9的德国慕尼黑工业大学（计算机学科排名），国内毕业于同济大学，成绩专业排名Top1，获公派留学全额奖学金。现就职于一线明星互联网公司。

面试久了，你会发现Java并发编程是面试的重点考察点。并且随着公司的发展，用户量级会与日俱增，高性能、高并发的问题自然避免不了，因此具备并发处理能力的 Java 程序员必然是广大公司渴求的香饽饽。

接下来和大家分享我对Java并发知识的见解，全文主要分为如下6大点：

1. Java并发工具的痛点
2. 三大类：线程安全、方便管理、互相配合
3. 第一类：为了线程安全
4. 第二类：为了管理线程
5. 第三类：为了线程协作--控制并发流程的工具类
6. 面试常见问题

1、Java并发工具痛点

Java并发中，一块非常重要的内容就是对于各种工具类的理解，常见的广义的并发工具包括：线程池、ConcurrentHashMap、AtomicInteger、CopyOnWriteArrayList、ArrayBlockingQueue、synchronized、LongAdder、ThreadLocal、各种Lock、Future、CountDownLatch、Semaphore等等。

以上这些工具，大家或多或少肯定都使用过，但是如果让我们自己编写功能类似的工具类，就很容易出错，因为我们可能会考虑不周；而JDK的常用工具类是经过了千万人检验的，值得信赖且功能完善。

我们应该学会使用，并深入理解这些工具类的原理。 非必须情况下，没有必要重复造轮子，因为如果让我们自己写一个经得起考验的功能完善的线程池，那其实是非常困难的，有几千行代码，实际上，能完全读懂就已经不太容易了。

从刚才那一长串的工具类的名字中可以看出，并发工具的数量很多，而且功能好像也不尽相同，不容易完全掌握。

所以我们在此，对Java中常见的工具类做一个梳理，把它们排排坐分分类，以便啃下这块“硬骨头”。

2、Java工具三大类

Java并发工具按照目的，一共分为3类：

• 第一类：为了线程安全
• 第二类：为了管理线程
• 第三类：为了线程协作——控制并发流程

具体展开请点击下方的思维导图↓↓↓

有了这样的分类，未来我们拿到一个不熟悉的并发工具类的时候，就可以对号入座。先建立起全局的概念，未来的学习就会容易很多。

下面我们对这三个类别分别展开描述。

3、第一类：为了线程安全

第一类是最常见的工具类，最典型的有各种锁、原子类、ConcurrentHashMap等，这些工具的目的都是帮助我们在并发的情况下保证线程安全。

就达到线程安全的工具类而言，有两个分类的角度，第一个是从底层原理来分，第二个是从使用者程序员的角度来分类。这两种分类只是视角不同，但是本质相同，是一一对应的关系。

在此，我们以线程安全里的老大哥“锁”为例，来一探究竟：

1. 锁的分类——各种类型的锁很多，乱花渐欲迷人眼，如何拨开迷雾，看透本质？

下图这些分类，是从各种不同角度出发去看的，但是这些分类并不是互斥的，也就是多个类型可以并存：有可能一个锁，同时属于两种类型，比如ReentrantLock既是互斥锁，又是可重入锁。

2. 常见的锁分别属于哪类？适用场景是什么？

可以看出，通常我们把锁分为以下这些类别：

1. 悲观锁和乐观锁
2. 共享锁和独占锁
3. 公平锁和非公平锁
4. 可重入锁和非可重入锁
5. 可中断锁和不可中断锁
6. 自旋锁和非自旋锁

我们以3个最常用的锁为例子，分析类型和适用场景如下：

4、第二类：为了管理线程

除了刚才说到的为了线程安全的工具类之外，现在将要介绍的“管理线程”也是很重要的一类并发工具，最典型的就是线程池和Future相关类，我们先来看看线程池。

为了方便管理线程，提高效率——线程池

1 线程池的重要性

线程池是非常重要的工具，如果你要成为一个好的工程师，需要比较好地掌握这个知识，很多线上问题都是因为没有用好线程池所导致的。

即使你现阶段的目标还未考虑那么深远，也要知道，这基本上是面试必问的题目，而且面试官很容易从被面试者的回答中捕捉到被面试者的技术水平。

2 什么是“池”

软件中的“池”，可以理解为工厂，工厂里有一定数量的工人，工人会帮助你制造产品，但是每一个工人的招聘和培训都要花费很大成本，所以你希望尽量利用这已有的例如20个工人长期帮你做事，而不是每次都重新招聘。

如果最近生意好，我们可以适当扩招，但是工厂所能被分配到的资源是有限的，比如占地面积、资金等，所以当你真的接到过多订单的时候，你没办法无限扩招工人，所以订单只能排队，等待工人慢慢处理。

总结成两点，“池”的作用：

• 复用已有资源
• 控制资源总量

数据库连接池是这样，线程池也是如此。

当一个新任务过来了，我发现池里有空闲的线程，我就直接派他去干活，不需要重新创建一条线程了，要知道线程的创建和销毁可都是麻烦事；而如果新任务过来的时候，如果池里的线程都在忙，并且现在池子的线程已经很多了，那么新任务就去排队~

3 为什么要使用线程池

总而言之是减小开销，提高效率：

1) 问题一：反复创建线程开销大

在Java中，如果每个请求到达就去创建一个新线程，开销是相当大的，因为每一个Java的线程就对应一个操作系统的线程。

在实际使用中，线程的创建和销毁都是需要时间的，如果是一个量级非常轻的请求，服务器也要新创建一条线程去处理，那么有可能创建和销毁线程消耗的时间，比请求处理的时间还更长。

2) 问题二：过多的线程会占用太多内存

创建过多的线程还会导致内存溢出。活动的线程需要消耗系统资源，如果在一个JVM里创建太多的线程，可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。

3) 解决以上两个问题的思路

尽可能使用少量的线程——避免内存占用过多

让这部分线程都保持工作，且可以反复执行任务——避免生命周期的损耗

4 线程池好处

• 线程池解决了线程生命周期开销问题和系统资源不足的问题

线程池刚创建的时候，会先创建一定数量的线程，比如说10个，这样当有新请求分配过来的时候，就可以直接从池子里取出一个已经创建好的线程，直接开始处理请求，这样就省去了创建线程的时间。

再加上对线程的重复使用，就可以大大减小了线程生命周期的开销，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟，使用应用程序响应更快，增强了用户体验。

• 合理统筹内存和CPU的使用

通过灵活适当地调整线程中的线程数目，使得既不会由于线程太多导致内存溢出（避免抛出java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread），也不会由于线程太少导致浪费CPU资源，而是可以达到完美的平衡。

• 统一管理资源

使用线程池可以统一管理任务队列和线程，例如可以统一开始和结束，比单个线程逐一处理任务要更方便、更易于管理。同时这样也便于数据统计，因为每个ThreadPoolExecutor还维护一些基本统计数据，例如已完成任务的数量。

5 线程池适合应用的场合

当一个服务器接受到大量短小线程的请求时，使用线程池技术是非常合适的，它可以大大减少线程的创建和销毁次数，提高服务器的工作效率。

获取子线程的运行结果——Future相关类

Future的核心思想是：一个方法的计算过程可能非常耗时，一直在原地等待方法返回，显然不明智。可以把该计算过程放到线程池去执行，并通过Future去控制方法的计算过程，在计算出结果后直接获取该结果，这样就避免了傻傻等待造成的时间浪费。

在JDK 8中，还引入了很好用的CompletableFuture，可以完成例如“等待多个异步任务完成后，获取到结果，再利用这些结果执行接下来的任务”等更复杂的功能。

5、第三类：为了线程协作

除了以上讲的“为了线程安全”、“为了管理线程”外，第三类并发工具类就是为了线程之间的协作互助。

控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易得让线程之间开展合作，让线程之间相互配合，来满足业务逻辑，比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行任务等合作策略。

控制并发流程的工具类简称同步工具类，主要有以下几个：

6、面试常见问题

关于Java并发工具类和原理，每一个类都有非常多的知识点将会作为面试时常见的问题。

在此我们仅以ConcurrentHashMap为例，问题的难度会逐渐增大：

· 对比Hashtable, HashMap, TreeMap，它们有什么不同？

· 同样是线程安全，ConcurrentHashMap和Hashtable 的区别？

· 为什么有Collections.synchronizedMap()，还需要ConcurrentHashMap？

· HashMap（HashSet同理）在多线程下可能造成CPU100%，是为什么？

· JDK8的ConcurrentHashMap也会造成CPU 100%，你知道吗？

· HashMap在Java 7和8有什么不同？

· ConcurrentHashMap在Java 7和8有什么不同？画一下结构图

· 为什么Map桶中超过8个才转为红黑树？

· ConcurrentHashMap的扩容流程你了解吗？画一下流程图