Java面试知识点1——多线程和并发编程

Posted 2022-10-17 莫欺丶少年穷

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java面试知识点1——多线程和并发编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

多线程和并发编程

在Java面试中，java多线程和并发编程是必问面试点，主要围绕多线程的基本概念及原理以及并发编程中线程安全、线程同步等方面展开，因此需要掌握基本的概念点，本文也将详细介绍。如果面试过程中想在该知识点表现得更好，就需要再去仔细编写和研读相关代码了，本文会大概提到，但不会详细展开，希望私下去查看相关资料。

Java多线程

1.线程和进程

进程：每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文），进程间的切换会有较大的开销，一个进程包含1-n个线程。
线程：同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器(PC)，线程切换开销小。
进程和线程一样分为五个阶段：创建、就绪、运行、阻塞、终止。
多进程是指操作系统能同时运行多个任务（程序）。
多线程是指同一程序有多个顺序流在执行。

2.线程的实现（继承Thread类或实现Runnable接口）

继承java.lang.Thread类

public class ThreadTest1 extends Thread

@Override
public void run() 
    System.out.println("线程1执行中。。");

实现Runnable接口

public class ThreadTest2 implements Runnable

@Override
public void run() 
    System.out.println("线程2执行中。。");

启动线程

public class Main
public static void main(String[] args)
```
    Thread mT1 = new ThreadTest1();
    Thread mT2 = new Thread(new ThreadTest2());
    mT1.start();
    mT2.start();
```
注意：start()方法的调用后并不是立即执行多线程代码，而是使得该线程变为可运行态（Runnable），什么时候运行是由操作系统决定的。在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是扩展Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的。

3.线程的实现中Thread和Runnable的区别

Runnable适合多个相同的程序代码的线程去处理同一个资源；
Runnable 可以避免java中的单继承的限制；
Runnable 增加程序的健壮性，代码可以被多个线程共享，代码和数据独立。

4.线程状态转换

新建状态（New）：新创建了一个线程对象。
就绪状态（Runnable）：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，变得可运行，等待获取CPU的使用权。
运行状态（Running）：就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：
- 等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，JVM会把该线程放入等待池中。
- 同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。
- 其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

5.线程分类

主线程：JVM调用程序main()所产生的线程。
当前线程：这个是容易混淆的概念。一般指通过Thread.currentThread()来获取的进程。
后台线程：指为其他线程提供服务的线程，也称为守护线程。JVM的垃圾回收线程就是一个后台线程。用户线程和守护线程的区别在于，是否等待主线程依赖于主线程结束而结束。
前台线程：是指接受后台线程服务的线程，其实前台后台线程是联系在一起，就像傀儡和幕后操纵者一样的关系。

注意：main方法其实也是一个线程。在java中所以的线程都是同时启动的，至于什么时候，哪个先执行，完全看谁先得到CPU的资源。在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实就是在操作系统中启动了一个进程。

6.线程的一些调度过程

调整线程优先级：Java线程有优先级，优先级高的线程会获得较多的运行机会。Java线程的优先级用整数表示，取值范围是1~10，Thread类有以下三个静态常量：

static int MAX_PRIORITY ：线程可以具有的最高优先级，取值为10。
static int MIN_PRIORITY ：线程可以具有的最低优先级，取值为1。
static int NORM_PRIORITY ：分配给线程的默认优先级，取值为5。

Thread类的setPriority()和getPriority()方法分别用来设置和获取线程的优先级。每个线程都有默认的优先级。主线程的默认优先级为Thread.NORM_PRIORITY。线程的优先级有继承关系，比如A线程中创建了B线程，那么B将和A具有相同的优先级。JVM提供了10个线程优先级，但与常见的操作系统都不能很好的映射。如果希望程序能移植到各个操作系统中，应该仅仅使用Thread类有以下三个静态常量作为优先级，这样能保证同样的优先级采用了同样的调度方式。
线程睡眠：Thread.sleep(long millis)方法，使线程转到阻塞状态。millis参数设定睡眠的时间，以毫秒为单位。当睡眠结束后，就转为就绪（Runnable）状态。sleep()平台移植性好。
线程等待：Object类中的wait()方法，导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 唤醒方法。这个两个唤醒方法也是Object类中的方法，行为等价于调用 wait(0) 一样。
线程让步：Thread.yield() 方法，暂停当前正在执行的线程对象，把执行机会让给相同或者更高优先级的线程。
线程加入：join()方法，等待其他线程终止。在当前线程中调用另一个线程的join()方法，则当前线程转入阻塞状态，直到另一个进程运行结束，当前线程再由阻塞转为就绪状态。
线程唤醒：Object类中的notify()方法，唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此对象上等待，则会选择唤醒其中一个线程。选择是任意性的，并在对实现做出决定时发生。线程通过调用其中一个 wait 方法，在对象的监视器上等待。直到当前的线程放弃此对象上的锁定，才能继续执行被唤醒的线程。被唤醒的线程将以常规方式与在该对象上主动同步的其他所有线程进行竞争；例如，唤醒的线程在作为锁定此对象的下一个线程方面没有可靠的特权或劣势。类似的方法还有一个notifyAll()，唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

7.线程的常用函数

sleep(long millis): 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行）。
join():指等待t线程终止。使用方式：join是Thread类的一个方法，启动线程后直接调用，即join()的作用是：“等待该线程终止”，这里需要理解的就是该线程是指的主线程等待子线程的终止。也就是在子线程调用了join()方法后面的代码，只有等到子线程结束了才能执行。为什么要用join()方法？在很多情况下，主线程生成并起动了子线程，如果子线程里要进行大量的耗时的运算，主线程往往将于子线程之前结束，但是如果主线程处理完其他的事务后，需要用到子线程的处理结果，也就是主线程需要等待子线程执行完成之后再结束，这个时候就要用到join()方法了。
yield():暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。Thread.yield()方法作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。yield()应该做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，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()从未导致线程转到等待/睡眠/阻塞状态。在大多数情况下，yield()将导致线程从运行状态转到可运行状态，但有可能没有效果。
sleep()和yield()的区别：sleep()使当前线程进入停滞状态，所以执行sleep()的线程在指定的时间内肯定不会被执行；yield()只是使当前线程重新回到可执行状态，所以执行yield()的线程有可能在进入到可执行状态后马上又被执行。另外，sleep 方法允许较低优先级的线程获得运行机会，但 yield() 方法执行时，当前线程仍处在可运行状态，所以，不可能让出较低优先级的线程些时获得 CPU 占有权。在一个运行系统中，如果较高优先级的线程没有调用 sleep 方法，又没有受到 I\\O 阻塞，那么，较低优先级线程只能等待所有较高优先级的线程运行结束，才有机会运行。
setPriority(): 更改线程的优先级，用法：Thread t1 = new Thread(“t1”); Thread t2 = new Thread(“t2”); t1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); t2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
interrupt():中断某个线程，这种结束方式比较粗暴，如果t线程打开了某个资源还没来得及关闭也就是run方法还没有执行完就强制结束线程，会导致资源无法关闭。要想结束进程最好的办法就是用sleep()函数的例子程序里那样，在线程类里面用以个boolean型变量来控制run()方法什么时候结束，run()方法一结束，该线程也就结束了。
wait()：Obj.wait()，与Obj.notify()必须要与synchronized(Obj)一起使用，也就是wait,与notify是针对已经获取了Obj锁进行操作，从语法角度来说就是Obj.wait(),Obj.notify必须在synchronized(Obj)…语句块内。从功能上来说wait就是说线程在获取对象锁后，主动释放对象锁，同时本线程休眠。直到有其它线程调用对象的notify()唤醒该线程，才能继续获取对象锁，并继续执行。相应的notify()就是对对象锁的唤醒操作。但有一点需要注意的是notify()调用后，并不是马上就释放对象锁的，而是在相应的synchronized()语句块执行结束，自动释放锁后，JVM会在wait()对象锁的线程中随机选取一线程，赋予其对象锁，唤醒线程，继续执行。这样就提供了在线程间同步、唤醒的操作。Thread.sleep()与Object.wait()二者都可以暂停当前线程，释放CPU控制权，主要的区别在于Object.wait()在释放CPU同时，释放了对象锁的控制。
wait和sleep区别：

a) sleep(),yield()等是Thread类的方法，wait()和notify()等是Object的方法;

b)sleep方法没有释放锁，而wait方法释放了锁，使得其他线程可以使用同步控制块或者方法;

c)wait，notify和notifyAll只能在同步控制方法或者同步控制块里面使用，而sleep可以在任何地方使用;

d)sleep必须捕获异常，而wait，notify和notifyAll不需要捕获异常;

注意：wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态，从而使线程立刻抛出InterruptedException（但不建议使用该方法）。

二. 并发编程

1.可重入锁

可重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程的外层函数获得锁之后，其内层递归函数仍然可以获取该锁而不受影响。在JAVA中， ReentrantLock 和synchronized都是是可重入锁。可重入锁有两种场景：1）线程的获得锁的method1调用method2，递归调用；2）子类获得锁的method调用父类method方法。

synchronized

场景一：线程的获得锁的method1调用method2，递归调用

public class ReentrantSynchronizedTest1 

    public synchronized void method1()
        System.out.println("method1..");
        method2();
    

    public synchronized void method2()
        System.out.println("method2..");
    

    public static void main(String[] args) 

        final ReentrantSynchronizedTest1 r = new ReentrantSynchronizedTest1();

        Thread t = new Thread(new Runnable() 

            @Override
            public void run() 
                r.method1();
            
        );

        t.start();

场景二：子类获得锁的method调用父类method方法

public class ReentrantSynchronizedTest2 

    static class Main 
        public synchronized void method1()
            System.out.println("Main的method1执行");
        
    

    static class Sub extends Main 
        public synchronized void method2()
            System.out.println("Sub的method2执行");
            this.method1();
        
    

    public static void main(String[] args) 

        Thread t = new Thread(new Runnable() 

            @Override
            public void run() 
                Sub sub = new Sub();
                sub.method2();
            

        );

        t.start();

ReentrantLock

场景一：线程的获得锁的method1调用method2，递归调用

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockTest1 

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method1()
        lock.lock();
        try
            System.out.println("method1..");
            method2();
        finally
            lock.unlock();
        
    

    public void method2()
        lock.lock();
        try
            System.out.println("method2..");
        finally
            lock.unlock();
        
    

    public static void main(String[] args) 

        final ReentrantLockTest1 r = new ReentrantLockTest1();

        Thread t = new Thread(new Runnable() 

            @Override
            public void run() 
                r.method1();
            
        );

        t.start();

2.什么叫线程安全？Synchronized的介绍？

线程安全：当多个线程访问某一个类（对象或方法）时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么这个类（对象或方法）就是线程安全的。
synchronized：可以在任意对象及方法上加锁，而加锁的这段代码称为“互斥区”或“临界区”。
synchronized给方法加锁：synchronized在某个类内给某个方法加锁，关键字synchronized获得的锁是该类的实例化对象的对象锁。两种场景：多个线程一个锁、多个线程多个锁。
1. 多个线程一个锁：当多个线程访问一个类的run方法时，以排队的方式进行处理（这里排对是按照CPU分配的先后顺序而定的），一个线程想要执行synchronized修饰的方法里的代码，先要尝试获得锁，如果拿到锁，执行synchronized代码体内容；拿不到锁，这个线程就会不断的尝试获得这把锁，直到拿到为止。因为多个线程调用的同一个对象的锁，因此排队执行。
```
public class MyThread extends Thread

    private int count = 4 ;

    public synchronized void run()
        count--;
        System.out.println(this.currentThread().getName() + " count = "+ count);
    

    public static void main(String[] args) 

        MyThread myThread = new MyThread();

        Thread t1 = new Thread(myThread,"t1");
        Thread t2 = new Thread(myThread,"t2");
        Thread t3 = new Thread(myThread,"t3");
        Thread t4 = new Thread(myThread,"t4");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    
```
  执行结果：
  t1 count = 3
  t4 count = 2
  t2 count = 1
  t3 count = 0
2. 多个线程多个锁：多个线程，每个线程都可以拿到自己指定的锁，分别获得锁之后，执行synchronized方法体的内容。关键字synchronized取得的锁都是对象锁。
```
public class MultiThread

    private int count = 3 ;

    public synchronized void method()
        count--;
        System.out.println("count = "+ count);
    

    public static void main(String[] args) 

        final MultiThread m1 = new MultiThread();
        final MultiThread m2 = new MultiThread();
        final MultiThread m3 = new MultiThread();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() 

            @Override
            public void run() 
                m1.method();
            

        );

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() 

            @Override
            public void run() 
                m2.method();
            

        );

        Thread t3 = new Thread(new Runnable() 

            @Override
            public void run() 
                m3.method();
            

        );

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    
```
  执行结果：
  count = 2
  count = 2
  count = 2
  
  多个线程访问对应的对象锁，互不干扰，因此结果不一定；如果想要排队访问，则需要得到类的锁，在method前面加static修饰，可以获得类锁，因此多个线程访问时只能排队，为类Class只有一个。
3. 总结上述两种用法，synchronized关键字的作用域有二种：
  
  i. 是某个对象实例内，synchronized aMethod()可以防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法（如果一个对象有多个synchronized方法，只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法）。这时，不同的对象实例的synchronized方法是不相干扰的。也就是说，其它线程照样可以同时访问相同类的另一个对象实例中的synchronized方法；
  
  ii. 是某个类的范围，synchronized static aStaticMethod防止多个线程同时访问这个类中的synchronized static 方法。它可以对类的所有对象实例起作用。

synchronized代码块：使用synchronized声明的方法在某些情况下是有弊端的，比如A线程调用同步的方法执行一个很长时间的任务，那么B线程就必须等待比较长的时间才能执行，这样的情况下可以使用synchronized代码块去优化代码执行时间，也就是通常所说的减小锁的粒度。synchronized关键字用于方法中的某个区块上，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

public class ObjectLock 

    public void method1()
        synchronized (this)    //对象锁
            try 
                System.out.println("do method1..");
                Thread.sleep(2000);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
    

    public void method2()      //类锁
        synchronized (ObjectLock.class) 
            try 
                System.out.println("do method2..");
                Thread.sleep(2000);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
    

    private Object lock = new Object();
    public void method3()      //任何对象锁
        synchronized (lock) 
            try 
                System.out.println("do method3..");
                Thread.sleep(2000);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
    


    public static void main(String[] args) 

        final ObjectLock objLock1 = new ObjectLock();
        final ObjectLock objLock2 = new ObjectLock();

        //对象锁
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                objLock1.method1();
            
        );
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                objLock1.method1();
            
        );

        //类锁
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                objLock1.method2();
            
        );
        Thread t4 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                objLock2.method2();
            
        );

        //对象锁
        Thread t5 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                objLock1.method3();
            
        );

        t1.start();
        t2.start();
        try 
            Thread.sleep(2000);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        

        t3.start();
        t4.start();
        try 
            Thread.sleep(2000);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        

        t5.start();

synchronized关键字继承：synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法synchronized f() 在继承类中并不自动是synchronized f()，而是变成了f()。继承类需要你显式的指定它的某个方法为synchronized方法。
当一个线程进入某个对象的一个synchronized的实例方法后，其它线程是否可进入此对象的其它方法？
答：对象的synchronized方法不能进入了，但它的其他非synchronized方法还是可以访问的。因为访问对象的synchronized方法时，需要先获取该对象的对象锁，如果其他方法也是synchronized修饰，则需排队，因为当前对象的锁正在被一个线程占用。访问其他非synchronized方法不需要排队，因为不涉及到获取锁的问题。

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