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Java集合+并发（部分）

article 2025/2/3 18:38:53

Java集合

Java集合类的继承结构和各自的适用情况

Collection

​ — List

​ — ArrayList：动态数组

​ — LinkedList：底层是双向链表，应用于Queue接口可以用于实现队列，应用于Deque接口可以用于实现栈

​ — Vector：线程安全的动态数组，但由于性能较低已被废弃（其下有Stack）

​ — Set

​ — HashSet：哈希集合，底层数据结构是哈希表

​ — LinkedHashSet：底层数据结构是哈希表+链表，可以保证先进先出

​ — TreeSet：底层数据结构是红黑树

​ — Queue

​ — PriorityQueue：优先队列

​ — Deque：Double Ended Queue，双端队列，可以在队列两端进行插入、删除操作，因此既可以作为队列，也可以作为栈

​ — ArrayDeque

​ — LinkedList

Map

​ — HashMap（哈希表）

List适用于需要顺序存储的情况

Set适用于需要存储无顺序、不重复的情况

Queue适用于队列存储

Map适用于存储键值对

List

1. ArrayList底层实现

ArrayList底层是Object数组。

ArrayList实现了以下接口：

List：是一个顺序列表

RandomAccess：支持快速随机访问

Cloneable：支持深拷贝、浅拷贝

Serializable：支持序列化

观察ArrayList源码，默认长度是10，默认一开始是空数组，当插入第一个元素时，数组长度变为默认的10。当继续插入元素时，如果数组中元素达到长度极限，调用grow方法扩容数组，如果没有达到极限，直接插入。

观察ArrayList的构造方法，有三种。一种是什么都不传入，默认是空数组。第二种是传入容量，则创建对应大小的数组。第三种是传入Collection接口下的集合，将其他集合类型转为ArrayList。

2. ArrayList的扩容原理

当调用add方法添加元素时，首先调用ensureCapacityInternal方法，判断当前元素数量和当前数组长度的关系。如果数组够用，继续插入元素。如果数组不够用，调用grow方法进行数组扩容。

grow方法：

使用位运算将数组容量扩充为原来的1.5倍，检查是否满足需求，如果满足，将新容量作为数组容量，如果不满足，将最小需求作为数组容量。调用Arrays.copyOf方法创建一个拥有新容量的数组，并把原数组复制过去。

3. ArrayList与Vector的区别

ArrayList是线程不安全的，Vector内部调用了synchronized关键字，是线程安全的

4. ArrayList插入、删除元素的时间复杂度是多少

头部插入元素：所有元素右移，时间复杂度O(n)

尾部插入元素：如果不需要扩容，时间复杂度O(1)；如果需要扩容，需要复制元素到新数组，时间复杂度O(n)

某一位置插入元素：右边所有元素右移，时间复杂度O(n)

头部删除元素：所有元素左移，时间复杂度O(n)

尾部删除元素：O(1)

某一位置删除元素：右边所有元素右移，时间复杂度O(n)

5. ArrayList是否实现了RandomAccess接口

RandomAccess是一个标记接口，表示该类支持快速随机访问（也就是通过索引在O(1)时间内快速访问某元素）。

ArrayList可以通过索引访问，是支持RandomAccess接口的。

6. LinkedList的底层原理是什么

LinkedList的底层原理是双向链表，内部的链表节点中存储：本节点值data、前一个节点指针prev、后一个节点指针next。

LinkedList实现的接口：

List：支持顺序存储

Deque：支持双端队列，由此可以作为栈或队列的底层数组结构

Cloneable：支持拷贝

Serializable：支持序列化

7. LinkedList插入、删除元素的时间复杂度

头部插入/删除：O(1)

尾部插入/删除：O(1)

指定位置插入、删除：需要遍历到指定位置，O(n)

8. LinkedList如何作为队列和栈

作为队列：

Queue<Integer> queue = new LinkedList();
queue.offer(1); // 添加元素
queue.poll();  // 弹出队首元素
queue.peek();  // 获取队首元素但不弹出

作为栈：

Deque<Integer> stack = new LinkedList();
stack.push(1);  // 入栈
stack.pop();  // 出栈
stack.peek();  // 获取栈顶元素但不弹出

另外，在回溯问题中，会使用LinkedList存储path，在添加入path时使用path.add()，在遍历完当前path后使用removeLast()方法撤销。最后，在将path添加到List<> ans中时，将其转为ArrayList，ans.add(new ArrayList(path));

9. CopyOnWriteArrayList保证线程安全的原理

ArrayList是线程不安全的，Vector是线程安全的，但Vector实现线程安全的方式是读写都加synchronized，性能较低，目前已被废弃。

现在实现线程安全的动态数组的是CopyOnWriteArrayList。

CopyOnWriteArrayList保证线程安全的原理是读写锁，即读不加锁，写加锁，这样保证了读操作的性能。

在此基础上，使用写时复制(CopyOnWrite, COW)策略，进一步保证了写操作也不会影响读操作。具体来说，当需要进行写操作时，不会直接修改原数组，而是创建一份副本，在副本数组上进行修改，修改完后再将数组复制回去。这样保证了写操作不会影响读操作。

但这样做也有一些缺点：

1）写操作时间、空间开销，每次写操作都要复制一份数组，改后再复制回去

2）可能导致数据一致性问题

Set

1. HashSet底层原理

HashSet底层是用HashMap实现的，具体来说，HashSet的元素实际上存储在HashMap的key中，而value存储一个固定的Object对象。

HashSet的特点是无序性和不可重复性。

无序性指的是：HashSet不按元素插入顺序进行存储，而是根据其哈希值进行存储。

不可重复性是指：HashSet内部不允许出现重复元素，因此经常被用来去重。

2. HashSet插入、删除元素的时间复杂度

HashSet插入、删除元素的时间复杂度都是O(1)。

3. HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的适用场景分别是什么

HashSet适用于无序、无重复元素场景。

LinkedHashSet适用于需要先进先出的场景。

TreeSet适用于需要自定义排序的场景。

Queue

1. Queue和Deque的区别

Queue是单端队列，只能队尾插入元素，队首删除元素。

Deque是双端队列，两端都能插入、删除。

2. ArrayQueue和LinkedList区别

ArrayQueue和LinkedList都实现了Deque接口，都可以实现双端队列的功能。

但二者的底层数据结构不一样。ArrayQueue是基于动态数组和双指针实现的，LinkedList是基于双向链表实现的。

3. PriorityQueue底层数据结构是什么，插入删除的时间复杂度是多少

底层数据结构是二叉堆，即父节点的值一定小于或等于子节点的值。PriorityQueue poll出的堆顶元素一定是最小的。

插入、删除元素的时间复杂度是O(logn)

遍历priorityqueue需要先将其放入ArrayList中，然后使用for-each遍历：

List<Integer> pq_list = new ArrayList(pq);
for(Integer i : pq_list) {
    System.out.println(i);
}

自定义排序：

PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<Integer>(new Comparable<Integer>(){
    @Override
    public int compare(Integer i1, Integer i2) {
        return i2 - i1;  // 大顶堆
    }
});

4. ArrayBlockingQueue是什么

ArrayBlockingQueue是阻塞队列，主要用于生产者和消费者之间的通信。

即生产者线程向其中添加元素，消费者线程从其中提取元素。

可以分别实现阻塞式和非阻塞式的put和take。

阻塞式：put和take，当队列满时，阻塞put操作，直至队列有空余。当队列空时，阻塞take操作，直至队列有元素。

非阻塞式：offer和poll，当队列满时，不阻塞，而是offer方法直接返回false，添加失败；当队列空时，不阻塞，而是poll直接返回null，获取到的是空。

使用BlockingQueue实现生产者—消费者模式：

class Producer extends Thread {
    private BlockingQueue<String> bq;

    public Producer(BlockingQueue<String> bq) {
        this.bq = bq;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            String new_product = "Product " + i;
            try {
                bq.put(new_product);
                System.out.println("Produced: " + new_product);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private BlockingQueue<String> bq;

    public Consumer(BlockingQueue<String> bq) {
        this.bq = bq;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            try {
                String product = bq.take();
                System.out.println("Consumed: " + product);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue(10);

        Producer producer = new Producer(bq);
        Consumer consumer = new Consumer(bq);

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

5. DelayQueue是什么

DelayQueue是延迟队列，可以用于实现延时任务，例如“订单下单15分钟未支付自动取消”功能。

DelayQueue中的元素必须实现Delayed接口，并重写getDelay()方法，用于计算是否到期。DelayQueue底层是用PriorityQueue实现的，默认按照到期时间升序排列，当getDealy()方法返回值小于0时，移除队列。

Map

1. HashMap底层原理

HashMap底层原理是哈希表+链表，即元素首先根据key的hashcode计算哈希值，存储在对应哈希表中。如果出现哈希碰撞，使用拉链法解决。当链表长度大于8时，会将链表转为红黑树，以提高搜索效率。（当整个哈希表长度不超过64时，不会转为红黑树，而是进行数组扩容）

HashMap添加、删除元素的时间复杂度：

如果没有出现哈希冲突，是O(1)。

如果出现了哈希冲突，且哈希冲突用链表解决，是O(n)

如果出现了哈希冲突，且哈希冲突用红黑树解决，是O(logn)

2. HashMap数组扩容的原理

HashMap默认长度是16，默认负载因子是0.75，也就是说，75%的数组有数据，25%的数据无数据，这是为了尽量减少哈希碰撞。当数组元素数量>数组容量*负载因子时，会对hashmap的数组进行扩容。

数组扩容的原理：

默认将数组扩容为原来的2倍。扩容方式是：根据新的长度重新计算所有元素的哈希值，将原来的元素复制到新的哈希位置。

3. HashMap数组长度为什么是2的幂次方/为什么扩容是乘以2

1）可以用位运算进行取余操作来获得哈希位置，效率更高

2）可以保证哈希值分布比较均匀

3）扩容时只需检查哈希值高位来判断是否变化位置

4. HashMap插入新元素的流程

首先，判断哈希数组是否为空，如果为空，先扩容到默认值16.

其次，计算哈希值。

如果对应哈希位置没有元素，直接插入在这一位置。

如果对应哈希位置有元素，判断这一元素key与要插入的key是否相同，如果相同直接修改对应value。

如果不相同，判断这一位置上的元素的红黑树节点还是链表节点。

如果是红黑树节点，调用putTreeVal放入树中。

如果是链表节点，遍历到链表，如果有相同的key，直接修改对应value，如果没有，遍历到链表末尾后在末尾插入新元素。在链表末尾插入元素后，判断是否需求将链表转为红黑树。

插入完成后，根据数组长度和负载因子判断是否需要扩容。

5. JDK1.7以前的HashMap在多线程环境下为什么会导致死循环

JDK1.7以前的Hashmap链表，插入新元素时采用的是头插法，而多线程环境下，多个线程同时操作链表，可能导致头节点指向错误的位置，从而导致形成环形链表。

为了解决这个问题，JDK1.8以后链表插入新元素改为了尾插法。

但多线程环境下还是建议使用ConcurrentHashMap。因此即使没有死循环的问题，多线程环境下也可能导致数据覆盖、数据丢失等情况。

6. 如何遍历hashmap

三种方法：1）使用keySet；2）使用valueSet；3）使用entrySet；

HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap();
for(Integer key : map.keySet()){}
for(Integer value: map.valueSet()){}
for(Map.Entry<Integer, Integer> entry : map.entrySet()){}

7. ConcurrentHashMap是怎么保证线程安全的

JDK1.8以前，ConcurrentHashMap是通过分段加锁保证线程安全的。

而JDK1.8以后，是使用CAS+synchronized关键字实现的，只锁定当前数组元素或链表和红黑树的头节点，锁粒度更细，只要不在同一个节点，就不影响其他线程，效率更高。

当插入新元素时，先根据key计算出哈希值，如果当前位置没有元素，使用CAS尝试插入元素，如果失败就不断重复尝试自旋插入，如果成功，直接break。

如果当前位置有元素，获取synchronized锁，锁定当前链表/红黑树插入元素。

8. LinkedHashMap的底层原理

LinkedHashMap底层是使用HashMap+双向链表实现的，在hashmap哈希存储节点时，还维护了一个双向链表，来存储元素的插入顺序。

当使用迭代器遍历LinkedHashMap时，按照插入顺序遍历。

9. LinkedHashMap如何按照访问顺序存储

当希望按照访问顺序输出时，只需将LinkedHashMap的accessOrder设置为true，这样，当使用get方法访问元素时，会将其移动到链表末尾。当按照链表遍历时，即可得到访问顺序输出。

10. LinkedHashMap如何实现LRU缓存

LinkedHashMap可以用于实现LRU缓存。

1）继承LinkedHashMap

2）构造方法：调用super构造方法并设置accessOrder为true，当访问某元素时，将其移到链表最末尾。存储容量。

3）重写LinkedHashMap的removeEldestEntry方法，这个方法返回一个布尔值，告知LinkedHashMap是否需要移除链表head元素，在这个方法中，判断链表长度是否超过容量。

Java并发

线程和进程

1. 什么是进程，什么是线程，Java中是如何规定的

进程是内存分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位。线程是轻量级的进程，执行开销小，但因为共享部分资源，不利于资源的管理和保护。

Java中多个线程共享进程的堆和方法区，但每个线程有独立的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。

Java中的线程是内核级线程，一个Java线程对应一个内核线程，可以利用多核CPU。

程序计数器为什么是私有的？

程序计数器用于指示线程执行的位置，保证线程切换时能够恢复到正确的位置，因此必须是线程私有的。

虚拟机栈用于存储线程执行中的局部变量、操作数栈、常量池引用等信息，每个线程都不一样，所以是线程私有的。

本地方法栈与虚拟机栈类似，但虚拟机栈存储的是Java方法执行信息，本地方法栈存储的是Native方法执行信息。

2. 线程的生命周期

初始态(NEW)：线程刚被创建，还没有调用start方法执行

运行态(RUNNABLE)：线程调用start方法执行

阻塞态(BLOCKED)：线程被锁阻塞

等待态(Waiting)：线程需要等待其他线程通知或中断，调用wait方法可以进入该状态

超时等待态(TIME_WAITING)：同样等待其他线程动作，但超时后自动返回。使用sleep(long millis)或wait(long millis)可以进入该状态

终止态(TERMINATED)：线程运行完毕

3. Java中如何创建线程

有两种方法：

1）继承Thread类

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 
    }
}

MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();

2）实现Runnable接口

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //
    }
}
Thread myThread = new Thread(new MyRunnable());
myThread.start();

4. 什么是线程的上下文，什么时候会发生上下文切换

线程的上下文就是线程执行所需的程序计数器、虚拟机栈等信息。

线程上下文切换就是指当切换线程时，先保存当前线程的上下文信息，然后将下一个线程的上下文信息加载到CPU中。

线程切换的几种情况：

1）调用sleep()、wait()方法时主动让出CPU

2）时间片用完

3）发生阻塞，例如IO阻塞

4）被终止或线程结束运行

5. Thread的sleep方法和Object类的wait方法有什么异同

相同：二者都会暂停线程的执行，让出CPU

不同：sleep方法不会释放锁，wait方法会释放锁。wait后线程不会主动苏醒，必须有其他线程notify；sleep到时间后线程会自动苏醒。

6. 可以直接调用Thread类的run方法来启动线程吗

不能。直接调用Thread类的run方法只是将这个方法当作main线程中的一个普通方法去调用，不会启动新线程。而调用Thread类的start方法时，会启动一个新线程，执行相应准备工作，然后调用run方法。

7. 什么是并发，什么是并行

并发：多个线程在同一时间段内同时执行

并行：多个线程在同一时刻同时执行

8. 什么是同步，什么是异步

同步：发出一个调用后必须等待调用返回才能继续执行

异步：发出一个调用后不等待返回，直接向下执行

9. 为什么要使用多线程

1）从计算机底层角度来说，对于单核CPU，在执行耗费时间的IO操作时可以切换到其他线程，提高CPU利用率；对于多核CPU，可以有效利用多核CPU的能力。

2）从互联网发展趋势来说，多线程并发编程是提高实现系统高并发的基础。

10. Java使用的系统线程调度方式是什么

操作系统调度线程有两种方式：抢占式和协同式。

抢占式：操作系统决定何时切换线程，会造成上下文切换的开销，但公平性较好，不容易出现线程阻塞；

协同式：线程自己决定何时切换并通知系统，上下文切换开销较小，但公平性较差。

Java使用的是抢占式，JVM本身不负责线程调度，而是交给操作系统。

11. 单核CPU能运行多线程吗，一定能够提高效率吗

单核CPU可以运行多线程，操作系统通过时间片轮转的方式将CPU时间分配给不同线程。

对于IO密集型任务，可以提高效率，因为在执行IO任务时可以将CPU给其他线程使用；

对于CPU密集型任务，不能提高效率，因为大量线程都需要使用CPU，进行线程切换反而会造成上下文切换的开销。

12.什么是死锁，死锁形成的四个条件，怎样检测、预防、避免死锁

死锁是指线程循环等待其他线程持有的锁，导致多个线程被同时阻塞。

死锁形成的四个条件：

1）互斥条件：一个锁不能被多个线程占有

2）请求和保持条件：线程已占用一些资源，且同时请求另一些资源，而且等待资源时不释放已有资源

3）不剥夺条件：线程占有的资源未使用完之前不会被其他线程强行剥夺，只能自己使用完毕后释放

4）循环等待条件：多个线程构成循环等待链

检测死锁：

可以用jmap、jstack等查看堆栈内存的分配情况；或使用Visual VM、JConsole等工具，连接对应程序后排查死锁。

预防死锁：

  1. 破坏互斥条件：一般不太可行，因为很多资源本身就是天然互斥的。
  2. 破坏请求与保持条件：可以要求进程一次性请求所有需要的资源，而不是逐步请求。
  3. 破坏不可剥夺条件：当一个进程请求新的资源得不到满足时，释放已占有的资源。
  4. 破坏循环等待条件：可以对资源进行编号，规定进程只能按照编号递增的顺序请求资源。

避免死锁：

银行家算法：通过提前判断资源分配的安全性，来决定是否为进程分配资源。

JMM

1. JMM是什么

JMM是Java内存模型，它是Java程序与JVM实际内存区域之间的一种抽象的模型，并不是真实存在的。

JMM将JVM内存区域分为主内存和本地内存。主内存是所有线程共有的，所有线程创建的对象实例都存储在主内存中。本地内存是线程私有的，本地内存中存储的是主内存中共享变量的副本。

2. happens-before原则和指令重排序

happens-before原则按照程序顺序规则、解锁规则、volatile变量规则、传递规则、线程启动规则等梳理指令的顺序。

指令重排序时根据梳理出的happens-before规则来进行。

a happens-before b的含义是，a指令的结果对b是可见的

3. 并发编程的三个特性

原子性：一个原子操作要么不执行，如果执行就要执行完

可见性：线程对共享变量的修改对所有线程都是可见的。Java中用volatile关键字保证变量的可见性，底层原理是强制变量是主存中分配

有序性：JVM编译器进行指令重排序时，会保证按照happens-before原则进行，这是单线程环境下是正确的，但多线程环境下不一定保证正确

Java并发常用关键字和类

1. volatile关键字有什么作用

volatile关键字有两个作用：

1）保证变量的可见性，指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取；

2）禁止指令重排序，如果将一个变量声明为volatile，在对这个变量进行读写时，会插入特定的内存屏障的方式来禁止指令重排序。

volatile只能保证变量的可见性，不能保证对变量操作的原子性。

2. 双重校验锁实现单例模式

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleInstance;
    
    private Singleton() {
      
    }
    
    public static Singleton getSingleInstance() {
        if (singleInstance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (singleInstance == null) {
                    singleInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleInstance;
    }
}

第一次校验：在同步代码块之外校验单例是否为空，如果不为空直接返回，避免进入同步代码块；

第二次校验：在进入同步代码块之后，再次校验单例是否为空，避免多个线程同时通过第一次校验进行同步代码块，导致创建多个实例。

另外，使用volatile关键字的作用：1）保证单例变量的修改对所有线程可见，避免出现一个线程初始化变量后，其他线程检测到的仍然是null的情况。2）禁止指令重排序，避免出现已分配内存还没初始化的时候，由于指令重排序，直接返回了没有初始化的内存地址的情况。

3. 乐观锁和悲观锁是什么，各有什么优势和缺点，适合什么场景

乐观锁是指总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问都不会出现问题，因此不加锁，只是在提交修改时验证资源是否被其他线程修改了，验证方法：CAS算法/版本号机制。

悲观锁，总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问都会出现问题，因此每次操作都加锁。

乐观锁可以避免锁竞争造成线程阻塞，也不会有死锁问题。但当写占比非常多的情况下，冲突频繁发生，会不断尝试自旋重试，因此会导致频繁失败重试影响性能。因此乐观锁更适用于读操作较多，写操作较少的场景。

悲观锁可以避免频繁失败重试影响性能，但无法避免锁的开销。因此悲观锁更适用于写操作较多，读操作较少的场景。

4.乐观锁的实现方式：CAS算法

CAS算法：Compare and Swap，当变量当前值等于期望值时，认为没有线程修改过变量，可以更新。如果不相等，自旋重复尝试。

Java中CAS算法是用Unsafe类实现的，提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong等方法，这些方法都是native方法，说明是用本地代码实现的，通常是C或C++

CAS算法可能的问题：

1）ABA问题

即变量先是A，被其他线程改成了B，又被另一个线程改回了A。此时与期望值仍然相同，CAS算法误以为没有被其他线程修改过。

2）循环开销时间大

由于 CAS 操作可能会因为并发冲突而失败，因此通常会与while循环搭配使用，在失败后不断重试，直到操作成功。这就是自旋锁机制，这会导致循环开销。

3）只能保证一个共享变量的原子操作

CAS操作仅对单个共享变量有效。

解决ABA问题的方法：

版本号机制：在变量前加版本号或时间戳，先检测变量值是否等于预期值，再检查变量版本号是否等于预期版本号。版本号一般是在前面加一个version字段，每次修改version++。

4. synchronized关键字是什么，有什么作用，如何使用，底层原理是什么

synchronized关键字用于保证资源访问同步性，它可以保证任何时刻只有一个线程进入代码块。

synchronized关键字有三种使用方法：

  1. 修饰实例方法：获取对象锁
  2. 修饰静态方法：获取类锁
  3. 修饰代码块：取决于括号里的参数，如果是类就是类锁，如果是某个object对象或this，就是对象锁

synchronized关键字的底层原理：

synchronized修饰代码块时，本质是使用monitorenter指令和monitorexit指令，其中monitorenter指向代码块起始位置，monitorexit指向代码块结束位置。

synchronized修饰方法时，没有使用monitorenter和monitorexit指令，而是给方法添加ACC_SYNCHRONIZED标识，表示该方法是一个同步方法。

但无论是使用monitorenter/monitorexit还是使用ACC_SYNCHRONIZED标识，本质都是获取JVM的监视器锁Monitor。

5. synchronized锁升级

每个对象头中会有有个Mark Word，用于记录哈希码、锁状态、GC分代年龄等信息。

对象的锁状态有四种：

1）无锁状态。

2）偏向锁：当只有一个线程访问同步代码块时，会使用偏向锁；

3）轻量级锁：当多个线程竞争锁时，JVM 会将偏向锁升级为轻量级锁。轻量级锁通过 CAS 操作尝试获取锁，避免线程阻塞。

4）重量级锁：当自旋等待超过一定次数后，JVM 会将锁升级为重量级锁。重量级锁会导致线程阻塞，进入操作系统内核态，性能开销较大。

synchronized修饰的代码块会使锁随线程数增多不断升级，锁只能升级不能降级。

synchronized和volatile的关系

synchronized和volatile是互补的，经常互相配合使用。

synchronized用于修饰代码块，保证多线程访问资源的同步性。volatile用于修饰变量，保证变量的可见性。

volatile只能保证可见性和有序性，不能保证原子性。synchronized三者都能保证。

volatile比synchronized更轻量级。

6. ReentrantLock是什么

ReentrantLock是可重入锁，即如果一个线程已经占有这个锁，当它再次请求这个锁时可以请求到。

实际上synchronized锁也是可重入的，但ReetrantLock比synchronized功能更完善。

ReentrantLock有公平锁和非公平锁两种实现，默认使用非公平锁。

ReentrantLock底层是用AQS实现的。

7. synchronized与ReentrantLock的异同

相同：都是可重入锁

不同：

1）ReentrantLock可以实现公平锁也可以实现非公平锁，synchronized只能实现非公平锁；

2）synchronized基于JVM实现，ReentrantLock基于JDK实现

3）ReentrantLock还提供了等待中断、超时、条件等高级功能。

7. 公平锁、非公平锁；可中断锁、不可中断锁；共享锁、独占锁

公平锁：按照申请顺序分配锁，保证了时间上的绝对顺序，但性能较差；

非公平锁：不按申请顺序，而是按照一定的优先级分配锁。

可中断锁：获取锁的过程中可以被中断，不需要一直等到获取锁之后才能进行其他逻辑处理。ReentrantLock就属于是可中断锁。

不可中断锁：一旦线程申请了锁，就只能等到拿到锁以后才能进行其他的逻辑处理。 synchronized就属于是不可中断锁。

共享锁：一把锁可以被多个线程同时获得，比如读锁是共享锁

独占锁：一把锁只能被一个线程获得，比如写锁是独占锁

8. 读写锁

读写锁既可以保证多个线程同时读的效率，同时又可以保证有写入操作时的线程安全。

一般锁的互斥条件：读读互斥、读写互斥、写写互斥

读写锁的互斥原理：读读不互斥、读写互斥、写写互斥

Java中实现的读写锁：ReentrantReadWriteLock、StampedLock。其中ReentrantReadWriteLock是可重入的读写锁，StampedLock是不可重入的读写锁。

读写锁适用于读多写少的场景。

AQS

AQS全称是AbstractQueueSynchronizer，即抽象队列同步器。

顾名思义，AQS是一个用于构建锁和同步器的抽象类，主要提供了可重入锁、信号量、倒计时器等一些通用框架。

AQS的底层原理

AQS底层是基于CLH锁队列的变体实现的。

CLH锁是一种基于CAS算法的优化。在CAS算法中，获取不到锁时会自旋重复获取。这种自旋方式可能导致某个线程长时间获取不到锁，造成饥饿。

为了解决这个问题，CLH引入了一个队列来组织并发竞争的线程。每个竞争的线程按顺序加入到队列中排队，保证公平性。

当使用CAS方法获取锁失败时，先短暂自旋尝试获取，如果仍然失败，阻塞线程加入队列等待被唤醒，防止重复自旋占用CPU。

AQS中CLH锁队列

队列中由各个节点构成，每个节点都有自己的状态。

例如三个线程获取锁时，T1先获取到，初始化等待队列，其中有一个头节点，状态为0；当T2请求锁时，锁已被占用，将T2加入等待队列中，放在头节点的next位置，此时头结点的状态改为SIGNAL(-1)，表示当前节点退出时需唤醒后继节点；同样T3申请锁时加入等待队列，放在T2的后面，T2状态改为SIGNAL(-1)；当T1释放锁时，唤醒后继节点T2，T2获取锁，成为新的head。

Semaphore

用于访问数量有限的资源，控制访问资源的线程数量。

使用场景：数据库连接池、线程池等数量有限的资源

CountDownLatch

CountDownLatch的作用是让count个线程阻塞，直到所有线程执行完毕。

使用场景：确保在某些任务完成后再执行后续操作，例如多个线程完成数据加载后再进行数据处理。

CyclicBarrier

CyclicBarrier的作用是让count个线程阻塞在屏障处，直到所有线程到达屏障。

使用场景：多线程并行计算时，在某个点合并结果再继续计算。

Atomic原子类

Atomic原子类是指具有原子操作特性的类，使用原子类的变量在操作时要么完整执行，要么不执行。

Atomic实现原理是CAS算法。

Atomic原子类有哪些？

1）基本类型原子类：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean

2）数组类型原子类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

3）引用类型原子类：AtomicReference、**AtomicStampedReference**、AtomicMarkableReference

4）对象属性修改原子类：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater原子更新引用类型中某个字段

Atomic的应用场景：

并发计数

ThreadLocal

对于ThreadLocal创建的变量，每个线程都有一个本地副本。线程内通过threadLocal.get()获取，通过threadLocal().set()设置其值。

ThreadLocal应用场景

数据库连接管理：每个线程可以有一个独立的数据库连接，避免了多个线程共享数据库连接的问题。

ThreadLocal底层原理

每个线程内部都有一个ThreadLocalMap，当用ThreadLocal创建变量时，ThreadLocal为key，对应的变量Object类为value，存储在map中。

ThreadLocal什么情况下会导致内存泄漏？

正常使用继承Thread类来创建线程是不会导致内存泄漏的。因为线程的ThreadLocalMap只被当前线程引用，当前线程结束任务退出以后，这种引用消失，线程对应的ThreadLocalMap就会被GC回收。

但实际项目开发中多使用线程池来实现多线程，这种情况下使用ThreadLocal就可能导致内存泄漏。因为线程池中的线程不会退出，是循环使用的，所以对应的ThreadLocalMap的引用不会消失，ThreadLocalMap不会被GC回收。但是ThreadLocalMap内部存储的是Entry数组，其中有多个key-value对，其中key是ThreadLocal对象，是弱引用的，value是对应的Object对象，是强引用的。当当前线程执行完毕，投入下一次使用时，弱引用的key会被GC回收，但value是强引用的，不会被回收，这就导致value对应的key为null，长期无法被回收就会导致内存泄漏。

如何避免内存泄漏？

每次使用完ThreadLocal对象后，调用remove方法将其移除ThreadLocalMap


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