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Java基础常见面试题总结-并发（一）

article 2024/11/14 5:23:23

线程池

线程池：一个管理线程的池子。

为什么平时都是使用线程池创建线程，直接new一个线程不好吗？

嗯，手动创建线程有两个缺点

  1. 不受控风险
  2. 频繁创建开销大

为什么不受控？

系统资源有限，每个人针对不同业务都可以手动创建线程，并且创建线程没有统一标准，比如创建的线程有没有名字等。当系统运行起来，所有线程都在抢占资源，毫无规则，混乱场面可想而知，不好管控。

频繁手动创建线程为什么开销会大？跟new Object() 有什么差别？

虽然Java中万物皆对象，但是new Thread() 创建一个线程和 new Object()还是有区别的。

new Object()过程如下：

  1. JVM分配一块内存 M
  2. 在内存 M 上初始化该对象
  3. 将内存 M 的地址赋值给引用变量 obj

创建线程的过程如下：

  1. JVM为一个线程栈分配内存，该栈为每个线程方法调用保存一个栈帧
  2. 每一栈帧由一个局部变量数组、返回值、操作数堆栈和常量池组成
  3. 每个线程获得一个程序计数器，用于记录当前虚拟机正在执行的线程指令地址
  4. 系统创建一个与Java线程对应的本机线程
  5. 将与线程相关的描述符添加到JVM内部数据结构中
  6. 线程共享堆和方法区域

创建一个线程大概需要1M左右的空间（Java8，机器规格2c8G）。可见，频繁手动创建/销毁线程的代价是非常大的。

为什么使用线程池？

  • 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  • 提高响应速度。当任务到达时，可以不需要等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。统一管理线程，避免系统创建大量同类线程而导致消耗完内存。

线程池执行原理？

线程池执行流程

  1. 当线程池里存活的线程数小于核心线程数corePoolSize时，这时对于一个新提交的任务，线程池会创建一个线程去处理任务。当线程池里面存活的线程数小于等于核心线程数corePoolSize时，线程池里面的线程会一直存活着，就算空闲时间超过了keepAliveTime，线程也不会被销毁，而是一直阻塞在那里一直等待任务队列的任务来执行。
  2. 当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了，这是对于一个新提交的任务，会被放进任务队列workQueue排队等待执行。
  3. 当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了，并且任务队列也满了，假设maximumPoolSize>corePoolSize，这时如果再来新的任务，线程池就会继续创建新的线程来处理新的任务，知道线程数达到maximumPoolSize，就不会再创建了。
  4. 如果当前的线程数达到了maximumPoolSize，并且任务队列也满了，如果还有新的任务过来，那就直接采用拒绝策略进行处理。默认的拒绝策略是抛出一个RejectedExecutionException异常。

线程池参数有哪些？

ThreadPoolExecutor 的通用构造函数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler);

1、corePoolSize：当有新任务时，如果线程池中线程数没有达到线程池的基本大小，则会创建新的线程执行任务，否则将任务放入阻塞队列。当线程池中存活的线程数总是大于 corePoolSize 时，应该考虑调大 corePoolSize。

2、maximumPoolSize：当阻塞队列填满时，如果线程池中线程数没有超过最大线程数，则会创建新的线程运行任务。否则根据拒绝策略处理新任务。非核心线程类似于临时借来的资源，这些线程在空闲时间超过 keepAliveTime 之后，就应该退出，避免资源浪费。

3、BlockingQueue：存储等待运行的任务。

4、keepAliveTime：非核心线程空闲后，保持存活的时间，此参数只对非核心线程有效。设置为0，表示多余的空闲线程会被立即终止。

5、TimeUnit：时间单位

TimeUnit.DAYS
TimeUnit.HOURS
TimeUnit.MINUTES
TimeUnit.SECONDS
TimeUnit.MILLISECONDS
TimeUnit.MICROSECONDS
TimeUnit.NANOSECONDS

6、ThreadFactory：每当线程池创建一个新的线程时，都是通过线程工厂方法来完成的。在 ThreadFactory 中只定义了一个方法 newThread，每当线程池需要创建新线程就会调用它。

public class MyThreadFactory implements ThreadFactory {
    private final String poolName;
    
    public MyThreadFactory(String poolName) {
        this.poolName = poolName;
    }
    
    public Thread newThread(Runnable runnable) {
        return new MyAppThread(runnable, poolName);//将线程池名字传递给构造函数，用于区分不同线程池的线程
    }
}

7、RejectedExecutionHandler：当队列和线程池都满了的时候，根据拒绝策略处理新任务。

AbortPolicy：默认的策略，直接抛出RejectedExecutionException
DiscardPolicy：不处理，直接丢弃
DiscardOldestPolicy：将等待队列队首的任务丢弃，并执行当前任务
CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务

线程池大小怎么设置？

如果线程池线程数量太小，当有大量请求需要处理，系统响应比较慢，会影响用户体验，甚至会出现任务队列大量堆积任务导致OOM。

如果线程池线程数量过大，大量线程可能会同时抢占 CPU 资源，这样会导致大量的上下文切换，从而增加线程的执行时间，影响了执行效率。

CPU 密集型任务(N+1)： 这种任务消耗的主要是 CPU 资源，可以将线程数设置为 N（CPU 核心数）+1，多出来的一个线程是为了防止某些原因导致的线程阻塞（如IO操作，线程sleep，等待锁）而带来的影响。一旦某个线程被阻塞，释放了CPU资源，而在这种情况下多出来的一个线程就可以充分利用 CPU 的空闲时间。

I/O 密集型任务(2N)： 系统的大部分时间都在处理 IO 操作，此时线程可能会被阻塞，释放CPU资源，这时就可以将 CPU 交出给其它线程使用。因此在 IO 密集型任务的应用中，可以多配置一些线程，具体的计算方法：最佳线程数 = CPU核心数 * (1/CPU利用率) = CPU核心数 * (1 + (IO耗时/CPU耗时))，一般可设置为2N。

线程池的类型有哪些？适用场景？

常见的线程池有 FixedThreadPool、SingleThreadExecutor、CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool。这几个都是 ExecutorService 线程池实例。

FixedThreadPool

固定线程数的线程池。任何时间点，最多只有 nThreads 个线程处于活动状态执行任务。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
	return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

使用无界队列 LinkedBlockingQueue（队列容量为 Integer.MAX_VALUE），运行中的线程池不会拒绝任务，即不会调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

maxThreadPoolSize 是无效参数，故将它的值设置为与 coreThreadPoolSize 一致。

keepAliveTime 也是无效参数，设置为0L，因为此线程池里所有线程都是核心线程，核心线程不会被回收（除非设置了executor.allowCoreThreadTimeOut(true)）。

适用场景：适用于处理CPU密集型的任务，确保CPU在长期被工作线程使用的情况下，尽可能的少的分配线程，即适用执行长期的任务。需要注意的是，FixedThreadPool 不会拒绝任务，在任务比较多的时候会导致 OOM。

SingleThreadExecutor

只有一个线程的线程池。

public static ExecutionService newSingleThreadExecutor() {
	return new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

使用无界队列 LinkedBlockingQueue。线程池只有一个运行的线程，新来的任务放入工作队列，线程处理完任务就循环从队列里获取任务执行。保证顺序的执行各个任务。

适用场景：适用于串行执行任务的场景，一个任务一个任务地执行。在任务比较多的时候也是会导致 OOM。

CachedThreadPool

根据需要创建新线程的线程池。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
	return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
}

如果主线程提交任务的速度高于线程处理任务的速度时，CachedThreadPool 会不断创建新的线程。极端情况下，这样会导致耗尽 cpu 和内存资源。

使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池工作队列，当线程池有空闲线程时，SynchronousQueue.offer(Runnable task)提交的任务会被空闲线程处理，否则会创建新的线程处理任务。

适用场景：用于并发执行大量短期的小任务。CachedThreadPool允许创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE ，可能会创建大量线程，从而导致 OOM。

ScheduledThreadPoolExecutor

在给定的延迟后运行任务，或者定期执行任务。在实际项目中基本不会被用到，因为有其他方案选择比如quartz。

使用的任务队列 DelayQueue 封装了一个 PriorityQueue，PriorityQueue 会对队列中的任务进行排序，时间早的任务先被执行(即ScheduledFutureTask 的 time 变量小的先执行)，如果time相同则先提交的任务会被先执行(ScheduledFutureTask 的 squenceNumber 变量小的先执行)。

执行周期任务步骤：

  1. 线程从 DelayQueue 中获取已到期的 ScheduledFutureTask（DelayQueue.take()）。到期任务是指 ScheduledFutureTask的 time 大于等于当前系统的时间；
  2. 执行这个 ScheduledFutureTask；
  3. 修改 ScheduledFutureTask 的 time 变量为下次将要被执行的时间；
  4. 把这个修改 time 之后的 ScheduledFutureTask 放回 DelayQueue 中（DelayQueue.add())。

img

适用场景：周期性执行任务的场景，需要限制线程数量的场景。

怎么判断线程池的任务是不是执行完了？

有几种方法：

1、使用线程池的原生函数isTerminated();

executor提供一个原生函数isTerminated()来判断线程池中的任务是否全部完成。如果全部完成返回true，否则返回false。

2、使用重入锁，维持一个公共计数。

所有的普通任务维持一个计数器，当任务完成时计数器加一（这里要加锁），当计数器的值等于任务数时，这时所有的任务已经执行完毕了。

3、使用CountDownLatch。

它的原理跟第二种方法类似，给CountDownLatch一个计数值，任务执行完毕后，调用countDown()执行计数值减一。最后执行的任务在调用方法的开始调用await()方法，这样整个任务会阻塞，直到这个计数值为零，才会继续执行。

这种方式的缺点就是需要提前知道任务的数量。

4、submit向线程池提交任务，使用Future判断任务执行状态。

使用submit向线程池提交任务与execute提交不同，submit会有Future类型的返回值。通过future.isDone()方法可以知道任务是否执行完成。

为什么要使用Executor线程池框架呢？

  • 每次执行任务都通过new Thread()去创建线程，比较消耗性能，创建一个线程是比较耗时、耗资源的
  • 调用new Thread()创建的线程缺乏管理，可以无限制的创建，线程之间的相互竞争会导致过多占用系统资源而导致系统瘫痪
  • 直接使用new Thread()启动的线程不利于扩展，比如定时执行、定期执行、定时定期执行、线程中断等都不好实现

execute和submit的区别

execute只能提交Runnable类型的任务，无返回值。submit既可以提交Runnable类型的任务，也可以提交Callable类型的任务，会有一个类型为Future的返回值，但当任务类型为Runnable时，返回值为null。

execute在执行任务时，如果遇到异常会直接抛出，而submit不会直接抛出，只有在使用Future的get方法获取返回值时，才会抛出异常

execute所属顶层接口是Executor，submit所属顶层接口是ExecutorService，实现类ThreadPoolExecutor重写了execute方法，抽象类AbstractExecutorService重写了submit方法。

进程线程

进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间。

线程是比进程更小的执行单位，它是在一个进程中独立的控制流，一个进程可以启动多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

线程的生命周期

初始(NEW)：线程被构建，还没有调用 start()。

运行(RUNNABLE)：包括操作系统的就绪和运行两种状态。

阻塞(BLOCKED)：一般是被动的，在抢占资源中得不到资源，被动的挂起在内存，等待资源释放将其唤醒。线程被阻塞会释放CPU，不释放内存。

等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。

超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。

终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

img

图片来源：Java并发编程的艺术

讲讲线程中断？

线程中断即线程运行过程中被其他线程给打断了，它与 stop 最大的区别是：stop 是由系统强制终止线程，而线程中断则是给目标线程发送一个中断信号，如果目标线程没有接收线程中断的信号并结束线程，线程则不会终止，具体是否退出或者执行其他逻辑取决于目标线程。

线程中断三个重要的方法：

1、java.lang.Thread#interrupt

调用目标线程的interrupt()方法，给目标线程发一个中断信号，线程被打上中断标记。

2、java.lang.Thread#isInterrupted()

判断目标线程是否被中断，不会清除中断标记。

3、java.lang.Thread#interrupted

判断目标线程是否被中断，会清除中断标记。

private static void test2() {
    Thread thread = new Thread(() -> {
        while (true) {
            Thread.yield();

            // 响应中断
            if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println("Java技术栈线程被中断，程序退出。");
                return;
            }
        }
    });
    thread.start();
    thread.interrupt();
}

创建线程有哪几种方式？

  • 通过扩展Thread类来创建多线程
  • 通过实现Runnable接口来创建多线程
  • 实现Callable接口，通过FutureTask接口创建线程。
  • 使用Executor框架来创建线程池。

继承 Thread 创建线程代码如下。run()方法是由jvm创建完操作系统级线程后回调的方法，不可以手动调用，手动调用相当于调用普通方法。


public class MyThread extends Thread {
    public MyThread() {
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + ":" + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyThread mThread1 = new MyThread();
        MyThread mThread2 = new MyThread();
        MyThread myThread3 = new MyThread();
        mThread1.start();
        mThread2.start();
        myThread3.start();
    }
}

Runnable 创建线程代码：


public class RunnableTest {
    public static  void main(String[] args){
        Runnable1 r = new Runnable1();
        Thread thread = new Thread(r);
        thread.start();
        System.out.println("主线程：["+Thread.currentThread().getName()+"]");
    }
}

class Runnable1 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName());
    }
}

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

  1. 可以避免java中的单继承的限制
  2. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类

Callable 创建线程代码：


public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        Callable1 c = new Callable1();

        //异步计算的结果
        FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(c);

        new Thread(result).start();

        try {
            //等待任务完成，返回结果
            int sum = result.get();
            System.out.println(sum);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

class Callable1 implements Callable<Integer> {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;

        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

使用 Executor 创建线程代码：

/**
 * @author: 程序员大彬
 * @time: 2021-09-11 10:44
 */
public class ExecutorsTest {
    public static void main(String[] args) {
        //获取ExecutorService实例，生产禁用，需要手动创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //提交任务
        executorService.submit(new RunnableDemo());
    }
}

class RunnableDemo implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("大彬");
    }
}

什么是线程死锁？

线程死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象。若无外力作用，它们都将无法推进下去。

如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方持有的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

死锁

下面通过例子说明线程死锁，代码来自并发编程之美。

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

代码输出如下：

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁，然后通过 Thread.sleep(1000)。让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。

线程死锁怎么产生？怎么避免？

死锁产生的四个必要条件：

  • 互斥：一个资源每次只能被一个进程使用
  • 请求与保持：一个进程因请求资源而阻塞时，不释放获得的资源
  • 不剥夺：进程已获得的资源，在未使用之前，不能强行剥夺
  • 循环等待：进程之间循环等待着资源

避免死锁的方法：

  • 互斥条件不能破坏，因为加锁就是为了保证互斥
  • 一次性申请所有的资源，避免线程占有资源而且在等待其他资源
  • 占有部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，主动释放它占有的资源
  • 按序申请资源

线程run和start的区别？

  • 当程序调用start()方法，将会创建一个新线程去执行run()方法中的代码。run()就像一个普通方法一样，直接调用run()的话，不会创建新线程。
  • 一个线程的 start() 方法只能调用一次，多次调用会抛出 java.lang.IllegalThreadStateException 异常。run() 方法则没有限制。

线程都有哪些方法？

start

用于启动线程。

getPriority

获取线程优先级，默认是5，线程默认优先级为5，如果不手动指定，那么线程优先级具有继承性，比如线程A启动线程B，那么线程B的优先级和线程A的优先级相同

setPriority

设置线程优先级。CPU会尽量将执行资源让给优先级比较高的线程。

interrupt

告诉线程，你应该中断了，具体到底中断还是继续运行，由被通知的线程自己处理。

当对一个线程调用 interrupt() 时，有两种情况：

  1. 如果线程处于被阻塞状态（例如处于sleep, wait, join 等状态），那么线程将立即退出被阻塞状态，并抛出一个InterruptedException异常。
  2. 如果线程处于正常活动状态，那么会将该线程的中断标志设置为 true。不过，被设置中断标志的线程可以继续正常运行，不受影响。

interrupt() 并不能真正的中断线程，需要被调用的线程自己进行配合才行。

join

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。

yield

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。

sleep

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，线程自动转为Runnable状态。

如何停止一个正在运行的线程？

  1. 使用共享变量的方式。共享变量可以被多个执行相同任务的线程用来作为是否停止的信号，通知停止线程的执行。
  2. 使用interrupt方法终止线程。当一个线程被阻塞，处于不可运行状态时，即使主程序中将该线程的共享变量设置为true，但该线程此时根本无法检查循环标志，当然也就无法立即中断。这时候可以使用Thread提供的interrupt()方法，因为该方法虽然不会中断一个正在运行的线程，但是它可以使一个被阻塞的线程抛出一个中断异常，从而使线程提前结束阻塞状态。

http://www.kler.cn/a/233423.html

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