多线程面试题

Posted 2022-09-26 爱是与世界平行

• 两万字！多线程硬核50问！ (qq.com)

1、为什么要使用多线程

选择多线程的原因，就是因为快。举个例子：

如果要把1000块砖搬到楼顶，假设到楼顶有几个电梯，你觉得用一个电梯搬运快，还是同时用几个电梯同时搬运快呢？这个电梯就可以理解为线程。

所以，我们使用多线程就是因为： 在正确的场景下，设置恰当数目的线程，可以用来程提高序的运行速率。更专业点讲，就是充分地利用CPU和I/O的利用率，提升程序运行速率。

当然，有利就有弊，多线程场景下，我们要保证线程安全，就需要考虑加锁。加锁如果不恰当，就很很耗性能。

2. 创建线程有几种方式？

Java中创建线程主要有以下这几种方式：

• 定义Thread类的子类，并重写该类的run方法
• 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法
• 定义Callable接口的实现类，并重写该接口的call()方法，一般配合Future使用
• 线程池的方式

2.1 定义Thread类的子类，并重写该类的run方法

public class ThreadTest 

    public static void main(String[] args) 
        Thread thread = new MyThread();
        thread.start();
    


class MyThread extends Thread 
    @Override
    public void run() 
        System.out.println("关注公众号:捡田螺的小男孩");
    

2.2 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法

public class ThreadTest 

    public static void main(String[] args) 
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        thread.start();
    


class MyRunnable implements Runnable 
    @Override
    public void run() 
        System.out.println("XXXXX");
    

//运行结果：
XXXXX

2.3 定义Callable接口的实现类，并重写该接口的call()方法

如果想要执行的线程有返回，可以使用Callable。

public class ThreadTest 
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException 
        MyThreadCallable mc = new MyThreadCallable();
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
        Thread thread = new Thread(ft);
        thread.start();
        System.out.println(ft.get());
    


class MyThreadCallable implements Callable 
    @Override
    public String call()throws Exception 
        return "XXXXX";
    

//运行结果：
XXXXX

2.4 线程池的方式

日常开发中，我们一般都是用线程池的方式执行异步任务。

public class ThreadTest 

    public static void main(String[] args) throws Exception 

        ThreadPoolExecutor executorOne = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1,
                TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(20), new CustomizableThreadFactory("Tianluo-Thread-pool"));
        executorOne.execute(() -> 
            System.out.println("XXXXX");
        );

        //关闭线程池
        executorOne.shutdown();
    

3. start()方法和run()方法的区别

其实start和run的主要区别如下：

• start方法可以启动一个新线程，run方法只是类的一个普通方法而已，如果直接调用run方法，程序中依然只有主线程这一个线程。
• start方法实现了多线程，而run方法没有实现多线程。
• start不能被重复调用，而run方法可以。
• start方法中的run代码可以不执行完，就继续执行下面的代码，也就是说进行了线程切换。然而，如果直接调用run方法，就必须等待其代码全部执行完才能继续执行下面的代码。

大家可以结合代码例子来看看哈~

public class ThreadTest 

    public static void main(String[] args)
        Thread t=new Thread()
            public void run()
                pong();
            
        ;
        t.start();
        t.run();
        t.run();
        System.out.println("A:"+ Thread.currentThread().getName());
    

    static void pong()
        System.out.println("B:"+ Thread.currentThread().getName());
    


//输出
B:main
B:main
A:main
B:Thread-0

4. 线程和进程的区别

• 进程是运行中的应用程序，线程是进程的内部的一个执行序列
• 进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。
• 一个进程可以有多个线程。线程又叫做轻量级进程，多个线程共享进程的资源
• 进程间切换代价大，线程间切换代价小
• 进程拥有资源多，线程拥有资源少地址
• 进程是存在地址空间的，而线程本身无地址空间，线程的地址空间是包含在进程中的

举个例子：

你打开QQ，开了一个进程；打开了迅雷，也开了一个进程。

在QQ的这个进程里，传输文字开一个线程、传输语音开了一个线程、弹出对话框又开了一个线程。

所以运行某个软件，相当于开了一个进程。在这个软件运行的过程里（在这个进程里），多个工作支撑的完成QQ的运行，那么这“多个工作”分别有一个线程。

所以一个进程管着多个线程。

通俗的讲：“进程是爹妈，管着众多的线程儿子”…

5. 说一下 Runnable和 Callable有什么区别？

• Runnable接口中的run()方法没有返回值，是void类型，它做的事情只是纯粹地去执行run()方法中的代码而已；
• Callable接口中的call()方法是有返回值的，是一个泛型。它一般配合Future、FutureTask一起使用，用来获取异步执行的结果。
• Callable接口call()方法允许抛出异常；而Runnable接口run()方法不能继续上抛异常；

大家可以看下它俩的API:

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> 
    /**
     * 支持泛型V，有返回值，允许抛出异常
     */
    V call() throws Exception;


@FunctionalInterface
public interface Runnable 
    /**
     *  没有返回值，不能继续上抛异常
     */
    public abstract void run();

为了方便大家理解，写了一个demo，小伙伴们可以看看哈：

public class CallableRunnableTest 

    public static void main(String[] args) 
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        Callable<String> callable =new Callable<String>() 
            @Override
            public String call() throws Exception 
                return "你好，callable";
            
        ;

        //支持泛型
        Future<String> futureCallable = executorService.submit(callable);

        try 
            System.out.println("获取callable的返回结果："+futureCallable.get());
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
         catch (ExecutionException e) 
            e.printStackTrace();
        

        Runnable runnable = new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                System.out.println("你好呀,runnable");
            
        ;

        Future<?> futureRunnable = executorService.submit(runnable);
        try 
            System.out.println("获取runnable的返回结果："+futureRunnable.get());
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
         catch (ExecutionException e) 
            e.printStackTrace();
        
        executorService.shutdown();

    

//运行结果
获取callable的返回结果：你好，callable
你好呀,runnable
获取runnable的返回结果：null

6. 聊聊volatile作用，原理

volatile关键字是Java虚拟机提供的的最轻量级的同步机制。它作为一个修饰符，用来修饰变量。它保证变量对所有线程可见性，禁止指令重排，但是不保证原子性。

我们先来一起回忆下java内存模型（jmm）：

• Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型,来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。
• Java内存模型规定所有的变量都是存在主内存当中，每个线程都有自己的工作内存。这里的变量包括实例变量和静态变量，但是不包括局部变量，因为局部变量是线程私有的。
• 线程的工作内存保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接操作主内存。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。

volatile变量，保证新值能立即同步回主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新，所以我们说volatile保证了多线程操作变量的可见性。

volatile保证可见性和禁止指令重排，都跟内存屏障有关。我们来看一段volatile使用的demo代码：

public class Singleton   
   private volatile static Singleton instance;  
   private Singleton ()  
   public static Singleton getInstance()   
   if (instance == null)   
       synchronized (Singleton.class)   
       if (instance == null)   
           instance = new Singleton();  
         
         
     
   return instance;  
     
  

编译后，对比有volatile关键字和没有volatile关键字时所生成的汇编代码，发现有volatile关键字修饰时，会多出一个lock addl $0x0,(%esp)，即多出一个lock前缀指令，lock指令相当于一个内存屏障

lock指令相当于一个内存屏障，它保证以下这几点：

1. 重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置
2. 将本处理器的缓存写入内存
3. 如果是写入动作，会导致其他处理器中对应的缓存无效。

第2点和第3点就是保证volatile保证可见性的体现嘛，第1点就是禁止指令重排的体现。

内存屏障四大分类：（Load 代表读取指令，Store代表写入指令）

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

有些小伙伴，可能对这个还是有点疑惑，内存屏障这玩意太抽象了。我们照着代码看下吧：

内存屏障保证前面的指令先执行，所以这就保证了禁止了指令重排啦，同时内存屏障保证缓存写入内存和其他处理器缓存失效，这也就保证了可见性，哈哈_{有关于volatile的底层实现，我们就讨论到这哈}

7. 说说并发与并行的区别?

并发和并行最开始都是操作系统中的概念，表示的是CPU执行多个任务的方式。

• 顺序：上一个开始执行的任务完成后，当前任务才能开始执行
• 并发：无论上一个开始执行的任务是否完成，当前任务都可以开始执行

（即 A B 顺序执行的话，A 一定会比 B 先完成，而并发执行则不一定。）

• 串行：有一个任务执行单元，从物理上就只能一个任务、一个任务地执行
• 并行：有多个任务执行单元，从物理上就可以多个任务一起执行

（即在任意时间点上，串行执行时必然只有一个任务在执行，而并行则不一定。）

知乎有个很有意思的回答，大家可以看下：

• 你吃饭吃到一半，电话来了，你一直到吃完了以后才去接，这就说明你不支持并发也不支持并行。
• 你吃饭吃到一半，电话来了，你停了下来接了电话，接完后继续吃饭，这说明你支持并发。
• 你吃饭吃到一半，电话来了，你一边打电话一边吃饭，这说明你支持并行。

并发的关键是你有处理多个任务的能力，不一定要同时。并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。所以我认为它们最关键的点就是：是否是同时。

来源：知乎

8.synchronized 的实现原理以及锁优化？

synchronized是Java中的关键字，是一种同步锁。synchronized关键字可以作用于方法或者代码块。

一般面试时。可以这么回答：

8.1 monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED

如果synchronized作用于代码块，反编译可以看到两个指令：monitorenter、monitorexit，JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步；如果作用synchronized作用于方法,反编译可以看到ACCSYNCHRONIZED标记，JVM通过在方法访问标识符(flags)中加入ACCSYNCHRONIZED来实现同步功能。

• 同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现，当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。
• 同步方法是通过中设置ACCSYNCHRONIZED标志来实现，当线程执行有ACCSYNCHRONI标志的方法，需要获得monitor锁。每个对象都与一个monitor相关联，线程可以占有或者释放monitor。

8.2 monitor监视器

monitor是什么呢？操作系统的管程（monitors）是概念原理，ObjectMonitor是它的原理实现。

在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor（管程）是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下：

 ObjectMonitor() 
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;  // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  

ObjectMonitor中几个关键字段的含义如图所示：

8.3 Java Monitor 的工作机理

• 想要获取monitor的线程,首先会进入_EntryList队列。
• 当某个线程获取到对象的monitor后,进入Owner区域，设置为当前线程,同时计数器count加1。
• 如果线程调用了wait()方法，则会进入WaitSet队列。它会释放monitor锁，即将owner赋值为null,count自减1,进入WaitSet队列阻塞等待。
• 如果其他线程调用 notify() / notifyAll() ，会唤醒WaitSet中的某个线程，该线程再次尝试获取monitor锁，成功即进入Owner区域。
• 同步方法执行完毕了，线程退出临界区，会将monitor的owner设为null，并释放监视锁。

8.4 对象与monitor关联

• 在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header），实例数据（Instance Data）和对象填充（Padding）。
• 对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

Mark Word 是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。

重量级锁，指向互斥量的指针。其实synchronized是重量级锁，也就是说Synchronized的对象锁，Mark Word锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。

9. 线程有哪些状态？

线程有6个状态,分别是：New, Runnable, Blocked, Waiting, Timed_Waiting, Terminated。

转换关系图如下：

• New：线程对象创建之后、但还没有调用start()方法，就是这个状态。

public class ThreadTest 

    public static void main(String[] args) 
        Thread thread = new Thread();
        System.out.println(thread.getState());
    


//运行结果：
NEW

• Runnable：它包括就绪（ready）和运行中（running）两种状态。如果调用start方法，线程就会进入Runnable状态。它表示我这个线程可以被执行啦（此时相当于ready状态），如果这个线程被调度器分配了CPU时间，那么就可以被执行（此时处于running状态）。

public class ThreadTest 

    public static void main(String[] args) 
        Thread thread = new Thread();
        thread.start();
        System.out.println(thread.getState());
    

//运行结果：
RUNNABLE

• Blocked：阻塞的（被同步锁或者IO锁阻塞）。表示线程阻塞于锁，线程阻塞在进入synchronized关键字修饰的方法或代码块(等待获取锁)时的状态。比如前面有一个临界区的代码需要执行，那么线程就需要等待，它就会进入这个状态。它一般是从RUNNABLE状态转化过来的。如果线程获取到锁，它将变成RUNNABLE状态

Thread t = new Thread(new Runnable 
    void run() 
        synchronized (lock)  // 阻塞于这里，变为Blocked状态
            // dothings
         
    
);
t.getState(); //新建之前，还没开始调用start方法，处于New状态

t.start(); //调用start方法，就会进入Runnable状态

• WAITING : 永久等待状态，进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（比如通知）。处于该状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被显式地唤醒，否则会处于无限期等待的状态。一般Object.wait。

Thread t = new Thread(new Runnable 
    void run() 
        synchronized (lock)  // Blocked
            // dothings
            while (!condition) 
                lock.wait(); // into Waiting
            
         
    
);
t.getState(); // New

t.start(); // Runnable

• TIMED_WATING: 等待指定的时间重新被唤醒的状态。有一个计时器在里面计算的，最常见就是使用Thread.sleep方法触发，触发后，线程就进入了Timed_waiting状态，随后会由计时器触发，再进入Runnable状态。

Thread t = new Thread(new Runnable 
    void run() 
        Thread.sleep(1000); // Timed_waiting
    
);
t.getState(); // New
t.start(); // Runnable

• 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完成。

再来看个代码demo吧：

public class ThreadTest 

    private static Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) throws Exception 

        Thread thread = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                try 
                    for(int i = 0; i< 1000; i++)
                        System.out.print("");
                    
                    Thread.sleep(500);
                    synchronized (object)
                        object.wait();
                    
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
        );

        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                try 
                    synchronized (object)
                        Thread.sleep(1000);
                    
                    Thread.sleep(1000);
                    synchronized (object)
                        object.notify();
                    
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
        );
        
        System.out.println("1"+thread以上是关于多线程面试题的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
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