Java面试41-45|并发及锁

Posted 2020-09-02

 

41、synchronized与Lock的区别

 

使用synchronized这个关键字实现的同步块有一些缺点： 

（1）锁只有一种类型 

（2）线程得到锁或者阻塞 

（3）Lock是在Java语言层面基于CAS自旋方式来实现锁的，在并发条件下，其性能要相对比synchronized好一些。 

为了解决如上的各种问题，后来又提出了一种更为复杂的锁 - 线程锁。线程锁可以在几个方面进行提升： 

（1）添加不同类型的锁，如读取锁和写入锁（主要实现类为ReentrantReadWriteLock类） 

（2）对锁的阻塞没有限制，即可以在一个方法中上锁，在另外一个方法中解锁。 

由于Semaphore不会将许可与特定的线程关联起来，因此在一个线程中获得的许可可以在另外一个线程中释放。

（3）如果线程得不到锁，比如锁由另外一个线程持有，就允许该线程后退或继续执行，或者做其他事情。如使用tryLock()与tryLock(long,TimeUnit)。当发现尝试加锁无法加上，可以先释放对其他对象已经成功添加的锁，过一会儿再尝试，这样可以一定程度上避免死锁。

 

（4）允许线程尝试取锁，并可以在超过等待时间后放弃。

 

ReentrantLock实现了Lock接口，并提供了与synchronized相同的互斥性和内存可见性。在获取/退出ReentrantLock时，有着与进入/退出同步代码块相同的内存语义。同时也提供可重入的加锁语义。

ReentrantLock相比synchronized增加了一些高级功能，主要有3项：

（1）等待可中断

（2）可实现公平锁（synchronized实现的是非公平锁）

（3）锁可以绑定多个条件（一个ReentrantLock可以同时绑定多个Condition对象

 

ReentrantLock获取锁定与三种方式：
a) lock(), 如果获取了锁立即返回，如果别的线程持有锁，当前线程则一直处于休眠状态，直到获取锁 

b) tryLock(),如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false 

c) tryLock(long timeout,TimeUnit unit) 如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false

d) lockInterruptibly:如果获取了锁定立即返回，如果没有获取锁定，当前线程处于休眠状态，直到或者锁定，或者当前线程被别的线程中断

 

42、分析线程池的实现原理和任务的调度过程

关于线程池的实现原理可以参考如下：

（1）http://blog.csdn.net/mazhimazh/article/details/19243889

（2）http://blog.csdn.net/mazhimazh/article/details/19283171

（3）参考《Java特种兵》295页内容

线程池实现原理就是线程池与工作队列的组合，在Executor任务执行框架中就体现了这种模式。

一个简单的小例子。

package ThreadPool;

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * 线程池类，线程管理器：创建线程，执行任务，销毁线程，获取线程基本信息
 */
public final class ThreadPool {
	// 线程池中默认线程的个数为5
	private static int worker_num = 5;
	// 工作线程
	private WorkThread[] workThrads;
	// 未处理的任务
	private static volatile int finished_task = 0;
	// 任务队列，作为一个缓冲,List线程不安全
	private List<Runnable> taskQueue = new LinkedList<Runnable>();
	private static ThreadPool threadPool;

	// 创建具有默认线程个数的线程池
	private ThreadPool() {
		this(5);
	}

	// 创建线程池,worker_num为线程池中工作线程的个数
	private ThreadPool(int worker_num) {
		ThreadPool.worker_num = worker_num;
		workThrads = new WorkThread[worker_num];
		for (int i = 0; i < worker_num; i++) {
			workThrads[i] = new WorkThread();
			workThrads[i].start();// 开启线程池中的线程
		}
	}

	// 单态模式，获得一个默认线程个数的线程池
	public static ThreadPool getThreadPool() {
		return getThreadPool(ThreadPool.worker_num);
	}

	// 单态模式，获得一个指定线程个数的线程池,worker_num(>0)为线程池中工作线程的个数
	// worker_num<=0创建默认的工作线程个数
	public static ThreadPool getThreadPool(int worker_num1) {
		if (worker_num1 <= 0)
			worker_num1 = ThreadPool.worker_num;
		if (threadPool == null)
			threadPool = new ThreadPool(worker_num1);
		return threadPool;
	}

	// 执行任务,其实只是把任务加入任务队列，什么时候执行有线程池管理器觉定
	public void execute(Runnable task) {
		synchronized (taskQueue) {
			taskQueue.add(task);
			taskQueue.notify();
		}
	}

	// 批量执行任务,其实只是把任务加入任务队列，什么时候执行有线程池管理器觉定
	public void execute(Runnable[] task) {
		synchronized (taskQueue) {
			for (Runnable t : task)
				taskQueue.add(t);
			taskQueue.notify();
		}
	}

	// 批量执行任务,其实只是把任务加入任务队列，什么时候执行有线程池管理器觉定
	public void execute(List<Runnable> task) {
		synchronized (taskQueue) {
			for (Runnable t : task)
				taskQueue.add(t);
			taskQueue.notify();
		}
	}

	// 销毁线程池,该方法保证在所有任务都完成的情况下才销毁所有线程，否则等待任务完成才销毁
	public void destroy() {
		while (!taskQueue.isEmpty()) {// 如果还有任务没执行完成，就先睡会吧
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		// 工作线程停止工作，且置为null
		for (int i = 0; i < worker_num; i++) {
			workThrads[i].stopWorker();
			workThrads[i] = null;
		}
		threadPool=null;
		taskQueue.clear();// 清空任务队列
	}

	// 返回工作线程的个数
	public int getWorkThreadNumber() {
		return worker_num;
	}

	// 返回已完成任务的个数,这里的已完成是只出了任务队列的任务个数，可能该任务并没有实际执行完成
	public int getFinishedTasknumber() {
		return finished_task;
	}

	// 返回任务队列的长度，即还没处理的任务个数
	public int getWaitTasknumber() {
		return taskQueue.size();
	}

	// 覆盖toString方法，返回线程池信息：工作线程个数和已完成任务个数
	@Override
	public String toString() {
		return "WorkThread number:" + worker_num + "  finished task number:"
				+ finished_task + "  wait task number:" + getWaitTasknumber();
	}

	/**
	 * 内部类，工作线程
	 */
	private class WorkThread extends Thread {
		// 该工作线程是否有效，用于结束该工作线程
		private boolean isRunning = true;

		/*
		 * 关键所在啊，如果任务队列不空，则取出任务执行，若任务队列空，则等待
		 */
		@Override
		public void run() {
			Runnable r = null;
			while (isRunning) {// 注意，若线程无效则自然结束run方法，该线程就没用了
				synchronized (taskQueue) { // 在这里提供了同步
					while (isRunning && taskQueue.isEmpty()) {// 队列为空
						try {
							taskQueue.wait(20);
						} catch (InterruptedException e) {
							e.printStackTrace();
						}
					}
					if (!taskQueue.isEmpty())
						r = taskQueue.remove(0);// 取出任务
				}
				if (r != null) {
					r.run();// 执行任务
				}
				finished_task++;
				r = null;
			}
		}// end run

		// 停止工作，让该线程自然执行完run方法，自然结束
		public void stopWorker() {
			isRunning = false;
		}
	}
}

 

//测试线程池  
public class TestThreadPool {
	public static void main(String[] args) {
		// 创建3个线程的线程池
		ThreadPool t = ThreadPool.getThreadPool(3);
		t.execute(new Runnable[] { new Task(), new Task(), new Task() });
		t.execute(new Runnable[] { new Task(), new Task(), new Task() });
		System.out.println(t);
		t.destroy();// 所有线程都执行完成才destory
		System.out.println(t);
	}

	// 任务类
	static class Task implements Runnable {
		private static volatile int i = 1;
		@Override
		public void run() {// 执行任务
			System.out.println("任务 " + (i++) + " 完成");
		}
	}
}

 

Java线程的调度分为协同式线程调度和抢占式线程调度。

ScheduleThreadPoolExecutor是Java提供的多线程调度器，它可以接收任务，并把它们安排给线程池里的线程。可以参考如下内容：

《Java特种兵》 306页

利用了多线程加上任务资源共享的方式来实现服务器端大量任务的调度。