前言

并發(fā)編程是面試中必問的知識點之一，所以本文整理了一些最為常見的并發(fā)面試題，一起來看吧~

1. synchronized的實現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化？

synchronized的實現(xiàn)原理

• synchronized作用于「方法」或者「代碼塊」，保證被修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問。

• synchronized修飾代碼塊時，JVM采用「monitorenter、monitorexit」兩個指令來實現(xiàn)同步

• synchronized修飾同步方法時，JVM采用「ACC_SYNCHRONIZED」標記符來實現(xiàn)同步

• monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是「基于Monitor實現(xiàn)」的

• 實例對象里有對象頭，對象頭里面有Mark Word，Mark Word指針指向了「monitor」

• Monitor其實是一種「同步工具」，也可以說是一種「同步機制」。

• 在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由「ObjectMonitor實現(xiàn)」的。ObjectMonitor體現(xiàn)出Monitor的工作原理~

ObjectMonitor()?{_header???????=?NULL;_count????????=?0;?//?記錄線程獲取鎖的次數(shù)_waiters??????=?0,_recursions???=?0;??//鎖的重入次數(shù)_object???????=?NULL;_owner????????=?NULL;??//?指向持有ObjectMonitor對象的線程_WaitSet??????=?NULL;??//?處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet_WaitSetLock??=?0?;_Responsible??=?NULL?;_succ?????????=?NULL?;_cxq??????????=?NULL?;FreeNext??????=?NULL?;_EntryList????=?NULL?;??//?處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會被加入到該列表_SpinFreq?????=?0?;_SpinClock????=?0?;OwnerIsThread?=?0?;}

ObjectMonitor的幾個關鍵屬性 _count、_recursions、_owner、_WaitSet、 _EntryList 體現(xiàn)了monitor的工作原理

鎖優(yōu)化

在討論鎖優(yōu)化前，先看看JAVA對象頭(32位JVM)中Mark Word的結(jié)構(gòu)圖吧~

Mark Word存儲對象自身的運行數(shù)據(jù)，如「哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、偏向時間戳（Epoch）」 等，為什么區(qū)分「偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖」等幾種鎖狀態(tài)呢？

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在JDK1.6之前，synchronized的實現(xiàn)直接調(diào)用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之為「重量級鎖」。從JDK6開始，HotSpot虛擬機開發(fā)團隊對Java中的鎖進行優(yōu)化，如增加了適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等優(yōu)化策略。

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• 偏向鎖：在無競爭的情況下，把整個同步都消除掉，CAS操作都不做。

• 輕量級鎖：在沒有多線程競爭時，相對重量級鎖，減少操作系統(tǒng)互斥量帶來的性能消耗。但是，如果存在鎖競爭，除了互斥量本身開銷，還額外有CAS操作的開銷。

• 自旋鎖：減少不必要的CPU上下文切換。在輕量級鎖升級為重量級鎖時，就使用了自旋加鎖的方式

• 鎖粗化：將多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖。

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舉個例子，買門票進動物園。老師帶一群小朋友去參觀，驗票員如果知道他們是個集體，就可以把他們看成一個整體（鎖租化），一次性驗票過，而不需要一個個找他們驗票。

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• 鎖消除:虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進行削除。

有興趣的朋友們可以看看我這篇文章：Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心^[1]

2. ThreadLocal原理，使用注意點，應用場景有哪些？

回答四個主要點：

• ThreadLocal是什么?

• ThreadLocal原理

• ThreadLocal使用注意點

• ThreadLocal的應用場景

ThreadLocal是什么?

ThreadLocal，即線程本地變量。如果你創(chuàng)建了一個ThreadLocal變量，那么訪問這個變量的每個線程都會有這個變量的一個本地拷貝，多個線程操作這個變量的時候，實際是操作自己本地內(nèi)存里面的變量，從而起到線程隔離的作用，避免了線程安全問題。

//創(chuàng)建一個ThreadLocal變量 static?ThreadLocal<String>?localVariable?=?new?ThreadLocal<>();

ThreadLocal原理

ThreadLocal內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖：

由結(jié)構(gòu)圖是可以看出：

• Thread對象中持有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap的成員變量。

• ThreadLocalMap內(nèi)部維護了Entry數(shù)組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

對照著幾段關鍵源碼來看，更容易理解一點哈~

public?class?Thread?implements?Runnable?{//ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的屬性ThreadLocal.ThreadLocalMap?threadLocals?=?null; }

ThreadLocal中的關鍵方法set()和get()

????public?void?set(T?value)?{Thread?t?=?Thread.currentThread();?//獲取當前線程tThreadLocalMap?map?=?getMap(t);??//根據(jù)當前線程獲取到ThreadLocalMapif?(map?!=?null)map.set(this,?value);?//K，V設置到ThreadLocalMap中elsecreateMap(t,?value);?//創(chuàng)建一個新的ThreadLocalMap}public?T?get()?{Thread?t?=?Thread.currentThread();//獲取當前線程tThreadLocalMap?map?=?getMap(t);//根據(jù)當前線程獲取到ThreadLocalMapif?(map?!=?null)?{//由this（即ThreadLoca對象）得到對應的Value，即ThreadLocal的泛型值ThreadLocalMap.Entry?e?=?map.getEntry(this);if?(e?!=?null)?{@SuppressWarnings("unchecked")T?result?=?(T)e.value;?return?result;}}return?setInitialValue();}

ThreadLocalMap的Entry數(shù)組

static?class?ThreadLocalMap?{static?class?Entry?extends?WeakReference<ThreadLocal<?>>?{/**?The?value?associated?with?this?ThreadLocal.?*/Object?value;Entry(ThreadLocal<?>?k,?Object?v)?{super(k);value?=?v;}} }

所以怎么回答「ThreadLocal的實現(xiàn)原理」？如下，最好是能結(jié)合以上結(jié)構(gòu)圖一起說明哈~

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• Thread類有一個類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的實例變量threadLocals，即每個線程都有一個屬于自己的ThreadLocalMap。

• ThreadLocalMap內(nèi)部維護著Entry數(shù)組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

• 每個線程在往ThreadLocal里設置值的時候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，讀也是以某個ThreadLocal作為引用，在自己的map里找對應的key，從而實現(xiàn)了線程隔離。

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ThreadLocal 內(nèi)存泄露問題

先看看一下的TreadLocal的引用示意圖哈，

ThreadLocalMap中使用的 key 為 ThreadLocal 的弱引用，如下

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弱引用：只要垃圾回收機制一運行，不管JVM的內(nèi)存空間是否充足，都會回收該對象占用的內(nèi)存。

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弱引用比較容易被回收。因此，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是因為ThreadLocalMap生命周期和Thread是一樣的，它這時候如果不被回收，就會出現(xiàn)這種情況：ThreadLocalMap的key沒了，value還在，這就會「造成了內(nèi)存泄漏問題」。

如何「解決內(nèi)存泄漏問題」？使用完ThreadLocal后，及時調(diào)用remove()方法釋放內(nèi)存空間。

ThreadLocal的應用場景

• 數(shù)據(jù)庫連接池

• 會話管理中使用

3. synchronized和ReentrantLock的區(qū)別？

我記得校招的時候，這道面試題出現(xiàn)的頻率還是挺高的~可以從鎖的實現(xiàn)、功能特點、性能等幾個維度去回答這個問題，

• 「鎖的實現(xiàn)：」 synchronized是Java語言的關鍵字，基于JVM實現(xiàn)。而ReentrantLock是基于JDK的API層面實現(xiàn)的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 語句塊來完成。）

• 「性能：」 在JDK1.6鎖優(yōu)化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6開始，增加了適應性自旋、鎖消除等，兩者性能就差不多了。

• 「功能特點：」 ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能，如等待可中斷、可實現(xiàn)公平鎖、可實現(xiàn)選擇性通知。

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• ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現(xiàn)這個機制。

• ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。

• synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結(jié)合實現(xiàn)等待/通知機制，ReentrantLock類借助Condition接口與newCondition()方法實現(xiàn)。

• ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖，一般跟finally配合釋放鎖。而synchronized不用手動釋放鎖。

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4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區(qū)別

• CountDownLatch：一個或者多個線程，等待其他多個線程完成某件事情之后才能執(zhí)行;

• CyclicBarrier：多個線程互相等待，直到到達同一個同步點，再繼續(xù)一起執(zhí)行。

舉個例子吧：

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• CountDownLatch：假設老師跟同學約定周末在公園門口集合，等人齊了再發(fā)門票。那么，發(fā)門票（這個主線程），需要等各位同學都到齊（多個其他線程都完成），才能執(zhí)行。

• CyclicBarrier:多名短跑運動員要開始田徑比賽，只有等所有運動員準備好，裁判才會鳴槍開始，這時候所有的運動員才會疾步如飛。

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5. Fork/Join框架的理解

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Fork/Join框架是Java7提供的一個用于并行執(zhí)行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結(jié)果后得到大任務結(jié)果的框架。

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Fork/Join框架需要理解兩個點，「分而治之」和「工作竊取算法」。

「分而治之」

以上Fork/Join框架的定義，就是分而治之思想的體現(xiàn)啦

「工作竊取算法」

把大任務拆分成小任務，放到不同隊列執(zhí)行，交由不同的線程分別執(zhí)行時。有的線程優(yōu)先把自己負責的任務執(zhí)行完了，其他線程還在慢慢悠悠處理自己的任務，這時候為了充分提高效率，就需要工作盜竊算法啦~

工作盜竊算法就是，「某個線程從其他隊列中竊取任務進行執(zhí)行的過程」。一般就是指做得快的線程（盜竊線程）搶慢的線程的任務來做，同時為了減少鎖競爭，通常使用雙端隊列，即快線程和慢線程各在一端。

6. 為什么我們調(diào)用start()方法時會執(zhí)行run()方法，為什么我們不能直接調(diào)用run()方法？

看看Thread的start方法說明哈~

????/***?Causes?this?thread?to?begin?execution;?the?Java?Virtual?Machine*?calls?the?<code>run</code>?method?of?this?thread.*?<p>*?The?result?is?that?two?threads?are?running?concurrently:?the*?current?thread?(which?returns?from?the?call?to?the*?<code>start</code>?method)?and?the?other?thread?(which?executes?its*?<code>run</code>?method).*?<p>*?It?is?never?legal?to?start?a?thread?more?than?once.*?In?particular,?a?thread?may?not?be?restarted?once?it?has?completed*?execution.**?@exception??IllegalThreadStateException??if?the?thread?was?already*???????????????started.*?@see????????#run()*?@see????????#stop()*/public?synchronized?void?start()?{......}

JVM執(zhí)行start方法，會另起一條線程執(zhí)行thread的run方法，這才起到多線程的效果~ 「為什么我們不能直接調(diào)用run()方法？」如果直接調(diào)用Thread的run()方法，其方法還是運行在主線程中，沒有起到多線程效果。

7. CAS？CAS 有什么缺陷，如何解決？

CAS,Compare and Swap，比較并交換；

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CAS 涉及3個操作數(shù)，內(nèi)存地址值V，預期原值A，新值B；如果內(nèi)存位置的值V與預期原A值相匹配，就更新為新值B，否則不更新

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CAS有什么缺陷？

「ABA 問題」

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并發(fā)環(huán)境下，假設初始條件是A，去修改數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)是A就會執(zhí)行修改。但是看到的雖然是A，中間可能發(fā)生了A變B，B又變回A的情況。此時A已經(jīng)非彼A，數(shù)據(jù)即使成功修改，也可能有問題。

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可以通過AtomicStampedReference「解決ABA問題」，它，一個帶有標記的原子引用類，通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。

「循環(huán)時間長開銷」

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自旋CAS，如果一直循環(huán)執(zhí)行，一直不成功，會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。

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很多時候，CAS思想體現(xiàn)，是有個自旋次數(shù)的，就是為了避開這個耗時問題~

「只能保證一個變量的原子操作。」

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CAS 保證的是對一個變量執(zhí)行操作的原子性，如果對多個變量操作時，CAS 目前無法直接保證操作的原子性的。

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可以通過這兩個方式解決這個問題：

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• 使用互斥鎖來保證原子性；

• 將多個變量封裝成對象，通過AtomicReference來保證原子性。

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有興趣的朋友可以看看我之前的這篇實戰(zhàn)文章哈~CAS樂觀鎖解決并發(fā)問題的一次實踐^[2]

9. 如何保證多線程下i++ 結(jié)果正確？

• 使用循環(huán)CAS，實現(xiàn)i++原子操作

• 使用鎖機制，實現(xiàn)i++原子操作

• 使用synchronized，實現(xiàn)i++原子操作

沒有代碼demo，感覺是沒有靈魂的~ 如下：

/***??@Author?撿田螺的小男孩*/ public?class?AtomicIntegerTest?{private?static?AtomicInteger?atomicInteger?=?new?AtomicInteger(0);public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{testIAdd();}private?static?void?testIAdd()?throws?InterruptedException?{//創(chuàng)建線程池ExecutorService?executorService?=?Executors.newFixedThreadPool(2);for?(int?i?=?0;?i?<?1000;?i++)?{executorService.execute(()?->?{for?(int?j?=?0;?j?<?2;?j++)?{//自增并返回當前值int?andIncrement?=?atomicInteger.incrementAndGet();System.out.println("線程:"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"?count="?+?andIncrement);}});}executorService.shutdown();Thread.sleep(100);System.out.println("最終結(jié)果是?："?+?atomicInteger.get());}}

運行結(jié)果：

... 線程:pool-1-thread-1?count=1997 線程:pool-1-thread-1?count=1998 線程:pool-1-thread-1?count=1999 線程:pool-1-thread-2?count=315 線程:pool-1-thread-2?count=2000 最終結(jié)果是?：2000

10. 如何檢測死鎖？怎么預防死鎖？死鎖四個必要條件

死鎖是指多個線程因競爭資源而造成的一種互相等待的僵局。如圖感受一下：「死鎖的四個必要條件：」

• 互斥：一次只有一個進程可以使用一個資源。其他進程不能訪問已分配給其他進程的資源。

• 占有且等待：當一個進程在等待分配得到其他資源時，其繼續(xù)占有已分配得到的資源。

• 非搶占：不能強行搶占進程中已占有的資源。

• 循環(huán)等待：存在一個封閉的進程鏈，使得每個資源至少占有此鏈中下一個進程所需要的一個資源。

「如何預防死鎖？」

• 加鎖順序（線程按順序辦事）

• 加鎖時限 （線程請求所加上權限，超時就放棄，同時釋放自己占有的鎖）

• 死鎖檢測

參考與感謝

牛頓說，我之所以看得遠，是因為我站在巨人的肩膀上~ 謝謝以下各位前輩哈~

• 面試必問的CAS，你懂了嗎？^[3]

• Java多線程：死鎖^[4]

• ReenTrantLock可重入鎖（和synchronized的區(qū)別）總結(jié)^[5]

• 聊聊并發(fā)（八）——Fork/Join 框架介紹^[6]

Reference

[1]

Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心: https://juejin.im/post/5d5374076fb9a06ac76da894#comment

[2]

CAS樂觀鎖解決并發(fā)問題的一次實踐: https://juejin.im/post/5d0616ade51d457756536791

[3]

面試必問的CAS，你懂了嗎？: https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/79561458

[4]

Java多線程：死鎖: https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/8311034.html

[5]

ReenTrantLock可重入鎖（和synchronized的區(qū)別）總結(jié): https://blog.csdn.net/qq838642798/article/details/65441415

[6]

聊聊并發(fā)（八）——Fork/Join 框架介紹: https://www.infoq.cn/article/fork-join-introduction

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總結(jié)

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