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Java多线程问题

简介:

多线程和并发问题是Java技术面试中面试官比较喜欢问的问题之一。在这里,从面试的角度列出了大部分重要的问题,但是你仍然应该牢固的掌握Java多线程基础知识来对应日后碰到的问题。

Java多线程面试问题

1. 进程和线程之间有什么不同?

     一个进程是一个独立(self contained)的运行环境,它可以被看作一个程序或者一个应用。而线程是在进程中执行的一个任务。Java运行环境是一个包含了不同的类和程序的单一进程。线程可以被称为轻量级进程。线程需要较少的资源来创建和驻留在进程中,并且可以共享进程中的资源。

2. 多线程编程的好处是什么?

    在多线程程序中,多个线程被并发的执行以提高程序的效率,CPU不会因为某个线程需要等待资源而进入空闲状态。多个线程共享堆内存(heap memory),因此创建多个线程去执行一些任务会比创建多个进程更好。举个例子,Servlets比CGI更好,是因为Servlets支持多线程而CGI不支持。

3. 用户线程和守护线程有什么区别?

    当我们在Java程序中创建一个线程,它就被称为用户线程。一个守护线程是在后台执行并且不会阻止JVM终止的线程。当没有用户线程在运行的时候,JVM关闭程序并且退出。一个守护线程创建的子线程依然是守护线程。

     守护线程在没有用户线程可服务时自动离开,在Java中比较特殊的线程是被称为守护(Daemon)线程的低级别线程。这个线程具有最低的优先级,用于为系统中的其它对象和线程提供服务。将一个用户线程设置为守护线程的方式是在线程对象创建之前调用线程对象的setDaemon方法。典型的守护线程例子是JVM中的系统资源自动回收线程,我们所熟悉的Java垃圾回收线程就是一个典型的守护线程,当我们的程序中不再有任何运行中的Thread,程序就不会再产生垃圾,垃圾回收器也就无事可做,所以当垃圾回收线程是Java虚拟机上仅剩的线程时,Java虚拟机会自动离开。它始终在低级别的状态中运行,用于实时监控和管理系统中的可回收资源。守护进程(Daemon)是运行在后台的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。也就是说守护线程不依赖于终端,但是依赖于系统,与系统“同生共死”。那Java的守护线程是什么样子的呢。当JVM中所有的线程都是守护线程的时候,JVM就可以退出了;如果还有一个或以上的非守护线程则JVM不会退出。

       守护线程并非虚拟机内部可以提供,用户也可以自行的设定守护线程,方法:public final void setDaemon(boolean on) ;但是有几点需要注意:

1)、thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置,否则会跑出一个IllegalThreadStateException异常。你不能把正在运行的常规线程设置为守护线程。 

2)、 在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的。

3)、不是所有的应用都可以分配给Daemon线程来进行服务,比如读写操作或者计算逻辑。因为在Daemon Thread还没来的及进行操作时,虚拟机可能已经退出了。


public class ThreadDemo implements Runnable {
     public void run() {
      while (true) {
            for (int i = 1; i <= 100; i++) {
                System.out.println(i);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
              }
       }    
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Thread daemonThread = new Thread(new ThreadDemo());
        daemonThread.setName("测试thread");
        // 设置为守护进程
                daemonThread.setDaemon(true);
                daemonThread.start();
                System.out.println("isDaemon = " + daemonThread.isDaemon());
                Thread t = new Thread(new ThreadDemo());
                t.start();
    }
}

4. 我们如何创建一个线程?

有两种创建线程的方法:一是实现Runnable接口,然后将它传递给Thread的构造函数,创建一个Thread对象;二是直接继承Thread类。若想了解更多可以阅读这篇关于如何在Java中创建线程的文章。

实现Runnable接口:


public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        System.out.println("主线程ID:"+Thread.currentThread().getId());
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable{
   public MyRunnable() {     
    }  
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("子线程ID:"+Thread.currentThread().getId());
    }
}

Runnable的中文意思是“任务”,顾名思义,通过实现Runnable接口,我们定义了一个子任务,然后将子任务交由Thread去执行。注意,这种方式必须将Runnable作为Thread类的参数,然后通过Thread的start方法来创建一个新线程来执行该子任务。如果调用Runnable的run方法的话,是不会创建新线程的,这根普通的方法调用没有任何区别。

  事实上,查看Thread类的实现源代码会发现Thread类是实现了Runnable接口的。

继承Thread类:


public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}
class MyThread extends Thread{
    private static int num = 0;    
    public MyThread(){
        num++;
    }   
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("主动创建的第"+num+"个线程");
    }
}

5. 有哪些不同的线程生命周期?

线程是一个动态执行的过程,它也有一个从产生到死亡的过程。

(1)生命周期的五种状态

   新建(new Thread)
当创建Thread类的一个实例(对象)时,此线程进入新建状态(未被启动)。
例如:Thread  t1=new Thread();

就绪(runnable)
线程已经被启动,正在等待被分配给CPU时间片,也就是说此时线程正在就绪队列中排队等候得到CPU资源。例如:t1.start();

运行(running)
线程获得CPU资源正在执行任务(run()方法),此时除非此线程自动放弃CPU资源或者有优先级更高的线程进入,线程将一直运行到结束。

死亡(dead)
当线程执行完毕或被其它线程杀死,线程就进入死亡状态,这时线程不可能再进入就绪状态等待执行。

自然终止:正常运行run()方法后终止

异常终止:调用stop()方法让一个线程终止运行

堵塞(blocked)
由于某种原因导致正在运行的线程让出CPU并暂停自己的执行,即进入堵塞状态。

正在睡眠:用sleep(long t) 方法可使线程进入睡眠方式。一个睡眠着的线程在指定的时间过去可进入就绪状态。

正在等待:调用wait()方法。(调用motify()方法回到就绪状态)

被另一个线程所阻塞:调用suspend()方法。(调用resume()方法恢复)


6. 可以直接调用Thread类的run()方法么?

当然可以,但是如果我们调用了Thread的run()方法,它的行为就会和普通的方法一样,为了在新的线程中执行我们的代码,必须使用Thread.start()方法。

7. 如何让正在运行的线程暂停一段时间?

我们可以使用Thread类的Sleep()方法让线程暂停一段时间。需要注意的是,这并不会让线程终止,一旦从休眠中唤醒线程,线程的状态将会被改变为Runnable,并且根据线程调度,它将得到执行。

8. 你对线程优先级的理解是什么?

每一个线程都是有优先级的,一般来说,高优先级的线程在运行时会具有优先权,但这依赖于线程调度的实现,这个实现是和操作系统相关的(OS dependent)。我们可以定义线程的优先级,但是这并不能保证高优先级的线程会在低优先级的线程前执行。线程优先级是一个int变量(从1-10),1代表最低优先级,10代表最高优先级。

线程的优先级以及设置

线程的优先级是为了在多线程环境中便于系统对线程的调度,优先级高的线程将优先执行。

  一个线程的优先级设置遵从以下原则:

  线程创建时,子继承父的优先级。

  线程创建后,可通过调用setPriority()方法改变优先级。

  线程的优先级是1-10之间的正整数。

  1- MIN_PRIORITY

  10-MAX_PRIORITY

  5-NORM_PRIORITY

  如果什么都没有设置,默认值是5。

  但是不能依靠线程的优先级来决定线程的执行顺序。


线程的优先级调度策略

线程调度器选择优先级最高的线程运行。但是,如果发生以下情况,就会终止线程的运行:

  线程体中调用了yield()方法,让出了对CPU的占用权。

  线程体中调用了sleep()方法,使线程进入睡眠状态。

  线程由于I/O操作而受阻塞。

  另一个更高优先级的线程出现。

  在支持时间片的系统中,该线程的时间片用完。



package cn.com.secn.thead;
//第一种方案
class MyThead implements Runnable
{
	public void run()
	{
	for (int i = 1; i <= 10; i++)
	{
	System.out.println(Thread.activeCount() + "thread======>AAA");
		}
	}
}
//第二种方案
class MyThread2 extends Thread
{	public void run()
	{	for (int i = 1; i <= 10; i++)
		{
		System.out.println(Thread.activeCount() + "thread======BBB");
		}	}
}


public class TheadMain
{	public static void main(String[] args)
	{
		MyThead myThead = new MyThead();
		Thread thread = new Thread(myThead);
		MyThread2 thread2 = new MyThread2();
		thread.start();
		thread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
		thread2.start();
		thread2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
	}
}

9. 什么是线程调度器(Thread Scheduler)和时间分片(Time Slicing)?

线程调度器是一个操作系统服务,它负责为Runnable状态的线程分配CPU时间。一旦我们创建一个线程并启动它,它的执行便依赖于线程调度器的实现。时间分片是指将可用的CPU时间分配给可用的Runnable线程的过程。分配CPU时间可以基于线程优先级或者线程等待的时间。线程调度并不受到Java虚拟机控制,所以由应用程序来控制它是更好的选择(也就是说不要让你的程序依赖于线程的优先级)。

10. 在多线程中,什么是上下文切换(context-switching)?

上下文切换是存储和恢复CPU状态的过程,它使得线程执行能够从中断点恢复执行。上下文切换是多任务操作系统和多线程环境的基本特征。它需要先存储当前线程的本地的数据,程序指针等,然后载入另一个线程的本地数据,程序指针等,最后才开始执行。CPU会在一个上下文中执行一个线程,然后切换到另外一个上下文中执行另外一个线程。上下文切换并不廉价。如果没有必要,应该减少上下文切换的发生。

11. 你如何确保main()方法所在的线程是Java程序最后结束的线程?

main()运行创建的既是一个线程也是一个进程,一个java程序启动后它就是一个进程,进程相当于一个空盒,它只提供资源装载的空间,具体的调度并不是由进程来完成的,而是由线程来完成的。一个java程序从main开始之后,进程启动,为整个程序提供各种资源,而此时将启动一个线程,这个线程就是主线程,它将调度资源,进行具体的操作。Thread、Runnable的开启的线程是主线程下的子线程,是父子关系,此时该java程序即为多线程的,这些线程共同进行资源的调度和执行。我们可以使用Thread类的joint()方法来确保所有程序创建的线程在main()方法退出前结束。这里有一篇文章关于Thread类的joint()方法

12.线程之间是如何通信的?

当线程间是可以共享资源时,线程间通信是协调它们的重要的手段。Object类中wait()\notify()\notifyAll()方法可以用于线程间通信关于资源的锁的状态。点击这里有更多关于线程wait, notify和notifyAll.

线程间的相互作用:线程之间需要一些协调通信,来共同完成一件任务。

 一、wait方法:导致当前线程进入等待,直到其他线程调用该同步监视器的notify方法或notifyAll方法来唤醒该线程。
     wait方法有3中形式:无参数的wait方法,会一直等待,直到其他线程通知;带毫秒参数的wait和微妙参数的wait,
     这2种形式都是等待时间到达后苏醒。调用wait方法的当前线程会释放对该对象同步监视器的锁定。

 二、notify:唤醒在此同步监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此同步监视器上等待,则会随机选择唤醒其中一个线程。
     只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后(用wait方法),才可以执行被唤醒的线程。
       
 三、notifyAll:唤醒在此同步监视器上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后,才能执行唤醒的线程。


13.为什么线程通信的方法wait(), notify()和notifyAll()被定义在Object类里?

Java的每个对象中都有一个锁(monitor,也可以成为监视器) 并且wait(),notify()等方法用于等待对象的锁或者通知其他线程对象的监视器可用。在Java的线程中并没有可供任何对象使用的锁和同步器。这就是为什么这些方法是Object类的一部分,这样Java的每一个类都有用于线程间通信的基本方法

14. 为什么wait(), notify()和notifyAll()必须在同步方法或者同步块中被调用?

当一个线程需要调用对象的wait()方法的时候,这个线程必须拥有该对象的锁,接着它就会释放这个对象锁并进入等待状态直到其他线程调用这个对象上的notify()方法。同样的,当一个线程需要调用对象的notify()方法时,它会释放这个对象的锁,以便其他在等待的线程就可以得到这个对象锁。由于所有的这些方法都需要线程持有对象的锁,这样就只能通过同步来实现,所以他们只能在同步方法或者同步块中被调用。

15. 为什么Thread类的sleep()和yield()方法是静态的?

Thread类的sleep()和yield()方法将在当前正在执行的线程上运行。所以在其他处于等待状态的线程上调用这些方法是没有意义的。这就是为什么这些方法是静态的。它们可以在当前正在执行的线程中工作,并避免程序员错误的认为可以在其他非运行线程调用这些方法。

16.如何确保线程安全?

在Java中可以有很多方法来保证线程安全——同步,使用原子类(atomic concurrent classes),实现并发锁,使用volatile关键字,使用不变类和线程安全类。在线程安全教程中,你可以学到更多。保证线程安全的三个诀窍:1、不要跨线程访问共享变量。2、使共享变量是final类型的。3、将共享变量的操作加上同步。

确保线程安全的要点:

1、在需要细分锁的分配时,使用java监视器模式好于使用自身对象的监视器锁。前者的灵活性更好。

  Object target = new Object();

  // 这里使用外部对象来作为监视器,而非this

  synchronized(target) {

  // TODO

  }

2、在并发编程中,需要容器支持的时候,优先考虑使用jdk并发容器(ConcurrentHashMap,ConcurrentLinkedQueue,CopyOnWriteArrayList等)

3、一开始就将类设计成线程安全的,比在后期重新修复它,更容易。

4、volatile变量,只能保证可见性,无法保证原子性。

5、某些耗时较长的网络操作或IO,确保执行时,不要占有锁。

6、保证共享变量的发布是安全的:a、通过静态初始化器初始化对象。b、将对象申明为volatile或使用AtomicReference。 c、保证对象是不可变的。d、将引用或可变操作都由锁来保护.

7、编写并发程序,需要更全的注释,更完整的文档说明

8、发布(publish)对象,指的是使它能够被当前范围之外的代码所使用。(引用传递)对象逸出(escape),指的是一个对象在尚未准备好时将它发布。

  原则:为防止逸出,对象必须要被完全构造完后,才可以被发布(最好的解决方式是采用同步)

  this关键字引用对象逸出

  例子:在构造函数中,开启线程,并将自身对象this传入线程,造成引用传递。而此时,构造函数尚未执行完,就会发生对象逸出了。

17. volatile关键字在Java中有什么作用?

当我们使用volatile关键字去修饰变量的时候,所以线程都会直接读取该变量并且不缓存它。这就确保了线程读取到的变量是同内存中是一致的。volatile关键字用在多线程,同步变量。 线程为了提高效率,将某成员变量(如A)拷贝了一份(如B),线程中对A的访问其实访问的是B。只在某些动作时才进行A和B的同步。因此存在A和B不一致的情况。volatile就是用来避免这种情况的。volatile告诉jvm, 它所修饰的变量不保留拷贝,直接访问主内存中volatile关键字所修饰的变量。(也就是上面说的A) 

通俗一点解释,在Java内存模型中,有main memory,每个线程也有自己的memory (例如寄存器)。为了性能,一个线程会在自己的memory中保持要访问的变量的副本。这样就会出现同一个变量在某个瞬间,在一个线程的memory中的值可能与另外一个线程memory中的值,或者main memory中的值不一致的情况。 
一个变量声明为volatile,就意味着这个变量是随时会被其他线程修改的,因此不能将它cache在线程memory中。


public class StoppableTask extends Thread {
  private volatile boolean pleaseStop;
  public void run() {
    while (!pleaseStop) {
     // do some stuff...

    }
 }
  public void tellMeToStop() {
   pleaseStop = true;
  }
}

18. 同步方法和同步块,哪个是更好的选择?

同步块是更好的选择,因为它不会锁住整个对象(当然你也可以让它锁住整个对象)。同步方法会锁住整个对象,哪怕这个类中有多个不相关联的同步块,这通常会导致他们停止执行并需要等待获得这个对象上的锁。

Java同步代码块的作用:

为了便于理解先来看看没有加同步代码块的 2 组同样功能的代码在不同状态下的执行结果,下面看第一组:



package cn.sunzn.synchronize;

public class SynchronizeCode {
   public static void main(String[] args) {
       new Thread() {
           public void run() {
               while (true) {
                   System.out.println("同步代码");
               }
           };
       }.start();
       new Thread() {
           public void run() {
               while (true) {
                   System.out.println("SynchronizeCode");
               }
           };
       }.start();
   }
}

第一组代码运行结果:
SynchronizeCode
SynchronizeCode
SynchronizeCode
SynchronizeCode
同步代码
同步代码
同步代码
同步代码


下面再来看第 2 组代码:


package cn.sunzn.synchronize;

public class SynchronizeCode {
   public static void main(String[] args) {
       new Thread() {
           public void run() {
               while (true) {
                   System.out.print("同步");
                   System.out.println("代码");
               }
           };
       }.start();
       new Thread() {
           public void run() {
               while (true) {
                   System.out.print("Synchronize");
                   System.out.println("Code");
               }
           };
       }.start();
   }
}


第二组代码运行结果:

同步代码
同步代码
同步代码
同步Code
SynchronizeCode
SynchronizeCode
SynchronizeCode
SynchronizeCode


显然,第二组代码中同一个线程下的打印输出并没有同时执行,这是因为 CPU 在不同的线程间进行切换时的随机性导致的。第二组代码中的输出结果“同步Code”是因为 CPU 切换到线程 1 的时候打印输出“同步”,但是当程序正准备打印“代码”的时候,CUP 切换到了线程 2 打印输出“Code”, 然后线程 2 继续持有 CPU 资源进行打印输出,知道 CPU 切换到线程 1。正因为这样的原因,当程序中包含有多个线程时,导致了同一个线程下的代码不能同时被执行。那么,我们如何才能保证这样的情况不发生呢?使用同步代码 块。下面我们来看使用了同步代码块程序的运行结果:


package cn.sunzn.synchronize;

public class SynchronizeCode {
   public static void main(String[] args) {
       /************ 创建锁对象 ************/
       final Object lock = new Object();
       /************ 开启线程一 ************/
       new Thread() {
           public void run() {
               while (true) {
                   synchronized (lock) {
                       System.out.print("同步");
                       System.out.println("代码");
                   }
               }
           };
       }.start();
       /************ 开启线程二 ************/
       new Thread() {
           public void run() {
               while (true) {
                   synchronized (lock) {
                       System.out.print("Synchronize");
                       System.out.println("Code");
                   }
               }
           };
       }.start();
   }
}

运行上面的代码我们会发现运行结果和第一组代码的运行结果类似,这是因为使用了相同锁对象的同步代码块具有原子性,在进行执行的时候会持续的拥有 CPU 资源直到同步代码块执行完毕,要么继续持有 CPU 资源,要么 CPU 切换到到另一个线程,这样保证了在执行一组代码的时候不会有其他线程插入执行。

同步块的概念请参考:http://ifeve.com/synchronized-blocks/

19.如何创建守护线程?

使用Thread类的setDaemon(true)方法可以将线程设置为守护线程,需要注意的是,需要在调用start()方法前调用这个方法,否则会抛出IllegalThreadStateException异常。

20. 什么是ThreadLocal?

ThreadLocal用于创建线程的本地变量,我们知道一个对象的所有线程会共享它的全局变量,所以这些变量不是线程安全的,我们可以使用同步技术。但是当我们不想使用同步的时候,我们可以选择ThreadLocal变量。

每个线程都会拥有他们自己的Thread变量,它们可以使用get()\set()方法去获取他们的默认值或者在线程内部改变他们的值。ThreadLocal实例通常是希望它们同线程状态关联起来是private static属性。在ThreadLocal例子这篇文章中你可以看到一个关于ThreadLocal的小程序。

21. 什么是Thread Group?为什么建议使用它?

ThreadGroup是一个类,它的目的是提供关于线程组的信息。

ThreadGroup API比较薄弱,它并没有比Thread提供了更多的功能。它有两个主要的功能:一是获取线程组中处于活跃状态线程的列表;二是设置为线程设置未捕获异常处理器(ncaught exception handler)。但在Java 1.5中Thread类也添加了setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh) 方法,所以ThreadGroup是已经过时的,不建议继续使用。


t1.setUncaughtExceptionHandler(new UncaughtExceptionHandler(){
@Override
public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
System.out.println("exception occured:"+e.getMessage());
}
});

22. 什么是Java线程转储(Thread Dump),如何得到它?

线程转储是一个JVM活动线程的列表,它对于分析系统瓶颈和死锁非常有用。有很多方法可以获取线程转储——使用Profiler,Kill -3命令,jstack工具等等。我更喜欢jstack工具,因为它容易使用并且是JDK自带的。由于它是一个基于终端的工具,所以我们可以编写一些脚本去定时的产生线程转储以待分析。读这篇文档可以了解更多关于产生线程转储的知识。java的线程转储可以被定义为JVM中在某一个给定的时刻运行的所有线程的快照。一个线程转储可能包含一个单独的线程或者多个线程。在多线程环境中,比 如J2EE应用服务器,将会有许多线程和线程组。每一个线程都有它自己的调用堆栈,在一个给定时刻,表现为一个独立功能。线程转储将会提供JVM中所有线 程的堆栈信息,对于特定的线程也会给出更多信息。

23. 什么是死锁(Deadlock)?如何分析和避免死锁?

死锁是指两个以上的线程永远阻塞的情况,这种情况产生至少需要两个以上的线程和两个以上的资源。

分析死锁,我们需要查看Java应用程序的线程转储。我们需要找出那些状态为BLOCKED的线程和他们等待的资源。每个资源都有一个唯一的id,用这个id我们可以找出哪些线程已经拥有了它的对象锁。

避免嵌套锁,只在需要的地方使用锁和避免无限期等待是避免死锁的通常办法,阅读这篇文章去学习如何分析死锁

24. 什么是Java Timer类?如何创建一个有特定时间间隔的任务?

java.util.Timer是一个工具类,可以用于安排一个线程在未来的某个特定时间执行。Timer类可以用安排一次性任务或者周期任务。

java.util.TimerTask是一个实现了Runnable接口的抽象类,我们需要去继承这个类来创建我们自己的定时任务并使用Timer去安排它的执行。

这里有关于java Timer的例子

25. 什么是线程池?如何创建一个Java线程池?

一个线程池管理了一组工作线程,同时它还包括了一个用于放置等待执行的任务的队列。

java.util.concurrent.Executors提供了一个 java.util.concurrent.Executor接口的实现用于创建线程池。线程池例子展现了如何创建和使用线程池,或者阅读ScheduledThreadPoolExecutor例子,了解如何创建一个周期任务。

Java并发面试问题

1. 什么是原子操作?在Java Concurrency API中有哪些原子类(atomic classes)?

原子操作是指一个不受其他操作影响的操作任务单元。原子操作是在多线程环境下避免数据不一致必须的手段。

int++并不是一个原子操作,所以当一个线程读取它的值并加1时,另外一个线程有可能会读到之前的值,这就会引发错误。

为了解决这个问题,必须保证增加操作是原子的,在JDK1.5之前我们可以使用同步技术来做到这一点。到JDK1.5,java.util.concurrent.atomic包提供了int和long类型的装类,它们可以自动的保证对于他们的操作是原子的并且不需要使用同步。可以阅读这篇文章来了解Java的atomic类

2. Java Concurrency API中的Lock接口(Lock interface)是什么?对比同步它有什么优势?

Lock接口比同步方法和同步块提供了更具扩展性的锁操作。他们允许更灵活的结构,可以具有完全不同的性质,并且可以支持多个相关类的条件对象。

它的优势有:

  • 可以使锁更公平
  • 可以使线程在等待锁的时候响应中断
  • 可以让线程尝试获取锁,并在无法获取锁的时候立即返回或者等待一段时间
  • 可以在不同的范围,以不同的顺序获取和释放锁

阅读更多关于锁的例子

3. 什么是Executors框架?

Executor框架同java.util.concurrent.Executor 接口在Java 5中被引入。Executor框架是一个根据一组执行策略调用,调度,执行和控制的异步任务的框架。

无限制的创建线程会引起应用程序内存溢出。所以创建一个线程池是个更好的的解决方案,因为可以限制线程的数量并且可以回收再利用这些线程。利用Executors框架可以非常方便的创建一个线程池,阅读这篇文章可以了解如何使用Executor框架创建一个线程池

4. 什么是阻塞队列?如何使用阻塞队列来实现生产者-消费者模型?

java.util.concurrent.BlockingQueue的特性是:当队列是空的时,从队列中获取或删除元素的操作将会被阻塞,或者当队列是满时,往队列里添加元素的操作会被阻塞。

阻塞队列不接受空值,当你尝试向队列中添加空值的时候,它会抛出NullPointerException。

阻塞队列的实现都是线程安全的,所有的查询方法都是原子的并且使用了内部锁或者其他形式的并发控制。

BlockingQueue 接口是java collections框架的一部分,它主要用于实现生产者-消费者问题。

阅读这篇文章了解如何使用阻塞队列实现生产者-消费者问题。

生产者消费者模式是并发、多线程编程中经典的设计模式,生产者和消费者通过分离的执行工作解耦,简化了开发模式,生产者和消费者可以以不同的速度生产和消费数据。这篇文章我们来看看什么是生产者消费者模式,这个问题也是多线程面试题中经常被提及的。如何使用阻塞队列(Blocking Queue)解决生产者消费者模式,以及使用生产者消费者模式的好处。

真实世界中的生产者消费者模式

生产者和消费者模式在生活当中随处可见,它描述的是协调与协作的关系。比如一个人正在准备食物(生产者),而另一个人正在吃(消费者),他们使用一个共用的桌子用于放置盘子和取走盘子,生产者准备食物,如果桌子上已经满了就等待,消费者(那个吃的)等待如果桌子空了的话。这里桌子就是一个共享的对象。在Java Executor框架自身实现了生产者消费者模式它们分别负责添加和执行任务。

生产者消费者模式的好处

它的确是一种实用的设计模式,常用于编写多线程或并发代码。下面是它的一些优点:

  1.  它简化的开发,你可以独立地或并发的编写消费者和生产者,它仅仅只需知道共享对象是谁
  2. 生产者不需要知道谁是消费者或者有多少消费者,对消费者来说也是一样
  3.  生产者和消费者可以以不同的速度执行
  4.  分离的消费者和生产者在功能上能写出更简洁、可读、易维护的代码

多线程中的生产者消费者问题

生产者消费者问题是一个流行的面试题,面试官会要求你实现生产者消费者设计模式,以至于能让生产者应等待如果队列或篮子满了的话,消费者等待如果队列或者篮子是空的。这个问题可以用不同的方式来现实,经典的方法是使用wait和notify方法在生产者和消费者线程中合作,在队列满了或者队列是空的条件下阻塞,Java5的阻塞队列(BlockingQueue)数据结构更简单,因为它隐含的提供了这些控制,现在你不需要使用wait和nofity在生产者和消费者之间通信了,阻塞队列的put()方法将阻塞如果队列满了,队列take()方法将阻塞如果队列是空的。在下部分我们可以看到代码例子。

使用阻塞队列实现生产者消费者模式

阻塞队列实现生产者消费者模式超级简单,它提供开箱即用支持阻塞的方法put()和take(),开发者不需要写困惑的wait-nofity代码去实现通信。BlockingQueue 一个接口,Java5提供了不同的现实,如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue,两者都是先进先出(FIFO)顺序。而ArrayLinkedQueue是自然有界的,LinkedBlockingQueue可选的边界。下面这是一个完整的生产者消费者代码例子,对比传统的wait、nofity代码,它更易于理解。


import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;
 
public class ProducerConsumerPattern {
 
    public static void main(String args[]){
 
     //Creating shared object
     BlockingQueue sharedQueue = new LinkedBlockingQueue();
 
     //Creating Producer and Consumer Thread
     Thread prodThread = new Thread(new Producer(sharedQueue));
     Thread consThread = new Thread(new Consumer(sharedQueue));
 
     //Starting producer and Consumer thread
     prodThread.start();
     consThread.start();
    }
 
}
 
//Producer Class in java
class Producer implements Runnable {
 
    private final BlockingQueue sharedQueue;
 
    public Producer(BlockingQueue sharedQueue) {
        this.sharedQueue = sharedQueue;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0; i<10; i++){
            try {
                System.out.println("Produced: " + i);
                sharedQueue.put(i);
            } catch (InterruptedException ex) {
                Logger.getLogger(Producer.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
            }
        }
    }
 
}
//Consumer Class in Java
class Consumer implements Runnable{
 
    private final BlockingQueue sharedQueue;
 
    public Consumer (BlockingQueue sharedQueue) {
        this.sharedQueue = sharedQueue;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try {
                System.out.println("Consumed: "+ sharedQueue.take());
            } catch (InterruptedException ex) {
                Logger.getLogger(Consumer.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
            }
        }
    }
 
}
 

Output:

Produced: 0

Produced: 1

Consumed: 0

Produced: 2

Consumed: 1

Produced: 3

Consumed: 2

Produced: 4

Consumed: 3

Produced: 5

Consumed: 4

Produced: 6

Consumed: 5

Produced: 7

Consumed: 6

Produced: 8

Consumed: 7

Produced: 9

Consumed: 8

Consumed: 9

你可以看到生产者线程生产数和消费者线程消费它以FIFO的顺序,因为阻塞队列只允许元素以FIFO的方式来访问。以上就是使用阻塞队列解决生产者消费者问题的全部,我确信它比wait/notify更简单,但你要两者都准备如果你是去面试话。

既然用BlockingQueue解决了解决生产者消费者问题,那么我们接下来聊一聊BlockingQueue。

BlockingQueue简介

在新增的Concurrent包中,BlockingQueue很好的解决了多线程中,如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类,为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员,包括他们各自的功能以及常见使用场景。

阻塞队列,顾名思义,首先它是一个队列,而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示:

2010112414472791.jpg

从上图我们可以很清楚看到,通过一个共享的队列,可以使得数据由队列的一端输入,从另外一端输出;
常用的队列主要有以下两种:(当然通过不同的实现方式,还可以延伸出很多不同类型的队列,DelayQueue就是其中的一种)
  先进先出(FIFO):先插入的队列的元素也最先出队列,类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
  后进先出(LIFO):后插入队列的元素最先出队列,这种队列优先处理最近发生的事件。

      多线程环境中,通过队列可以很容易实现数据共享,比如经典的“生产者”和“消费者”模型中,通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程,另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程,利用队列的方式来传递数据,就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内,万一发生数据处理速度不匹配的情况呢?理想情况下,如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度,并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候,那么生产者必须暂停等待一下(阻塞生产者线程),以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕,反之亦然。然而,在concurrent包发布以前,在多线程环境下,我们每个程序员都必须去自己控制这些细节,尤其还要兼顾效率和线程安全,而这会给我们的程序带来不小的复杂度。好在此时,强大的concurrent包横空出世了,而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。(在多线程领域:所谓阻塞,在某些情况下会挂起线程(即阻塞),一旦条件满足,被挂起的线程又会自动被唤醒)
下面两幅图演示了BlockingQueue的两个常见阻塞场景:

2010112414442194.jpg

如上图所示:当队列中没有数据的情况下,消费者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到有数据放入队列。

2010112414451925.jpg

如上图所示:当队列中填满数据的情况下,生产者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到队列中有空的位置,线程被自动唤醒。

这也是我们在多线程环境下,为什么需要BlockingQueue的原因。作为BlockingQueue的使用者,我们再也不需要关心什么时候需要阻塞线程,什么时候需要唤醒线程,因为这一切BlockingQueue都给你一手包办了。

常见BlockingQueue

2010112416335973.jpg

详情请参考:http://wsmajunfeng.iteye.com/blog/1629354


5. 什么是Callable和Future?

Java 5在concurrency包中引入了java.util.concurrent.Callable 接口,它和Runnable接口很相似,但它可以返回一个对象或者抛出一个异常。

Callable接口使用泛型去定义它的返回类型。Executors类提供了一些有用的方法去在线程池中执行Callable内的任务。由于Callable任务是并行的,我们必须等待它返回的结果。java.util.concurrent.Future对象为我们解决了这个问题。在线程池提交Callable任务后返回了一个Future对象,使用它我们可以知道Callable任务的状态和得到Callable返回的执行结果。Future提供了get()方法让我们可以等待Callable结束并获取它的执行结果。

阅读这篇文章了解更多关于Callable,Future的例子

6. 什么是FutureTask?

FutureTask是Future的一个基础实现,我们可以将它同Executors使用处理异步任务。通常我们不需要使用FutureTask类,单当我们打算重写Future接口的一些方法并保持原来基础的实现是,它就变得非常有用。我们可以仅仅继承于它并重写我们需要的方法。阅读Java FutureTask例子,学习如何使用它。

7.什么是并发容器的实现?

Java集合类都是快速失败的,这就意味着当集合被改变且一个线程在使用迭代器遍历集合的时候,迭代器的next()方法将抛出ConcurrentModificationException异常。

并发容器支持并发的遍历和并发的更新。

主要的类有ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 和CopyOnWriteArraySet,阅读这篇文章了解如何避免ConcurrentModificationException

为什么会出现Java同步容器?

在Java的集合容器框架中,主要有四大类别:List、Set、Queue、Map。

  List、Set、Queue接口分别继承了Collection接口,Map本身是一个接口。

  注意Collection和Map是一个顶层接口,而List、Set、Queue则继承了Collection接口,分别代表数组、集合和队列这三大类容器。

  像ArrayList、LinkedList都是实现了List接口,HashSet实现了Set接口,而Deque(双向队列,允许在队首、队尾进行入队和出队操作)继承了Queue接口,PriorityQueue实现了Queue接口。另外LinkedList(实际上是双向链表)实现了了Deque接口。

  像ArrayList、LinkedList、HashMap这些容器都是非线程安全的。

  如果有多个线程并发地访问这些容器时,就会出现问题。

  因此,在编写程序时,必须要求程序员手动地在任何访问到这些容器的地方进行同步处理,这样导致在使用这些容器的时候非常地不方便。

  所以,Java提供了同步容器供用户使用。

Java同步容器类

在Java中,同步容器主要包括2类:

  1)Vector、Stack、HashTable

  2)Collections类中提供的静态工厂方法创建的类

  Vector实现了List接口,Vector实际上就是一个数组,和ArrayList类似,但是Vector中的方法都是synchronized方法,即进行了同步措施。

  Stack也是一个同步容器,它的方法也用synchronized进行了同步,它实际上是继承于Vector类。

  HashTable实现了Map接口,它和HashMap很相似,但是HashTable进行了同步处理,而HashMap没有。

  Collections类是一个工具提供类,注意,它和Collection不同,Collection是一个顶层的接口。在Collections类中提供了大量的方法,比如对集合或者容器进行排序、查找等操作。最重要的是,在它里面提供了几个静态工厂方法来创建同步容器类,如下图所示:

241522011748498.jpg

同步容器类的问题

同步容器类就是一些经过同步处理了的容器类,比如List有Vector,Map有Hashtable,查看其源码发现其保证线程安全的方式就是把每个对外暴露的存取方法用synchronized关键字同步化,这样做我们立马会想到有以下问题:
1)性能有问题

同步化了所有存取方法,就表明所有对这个容器对象的操作将会串行,这样做来得倒是干净,但性能的代价也是很可观的。



public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
        long start = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<100000;i++)
            list.add(i);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList进行100000次插入操作耗时:"+(end-start)+"ms");
        start = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<100000;i++)
            vector.add(i);
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时:"+(end-start)+"ms");
    }
}
这段代码在我机器上跑出来的结果是:

241549434409962.jpg

2)复合操作问题

同步容器真的是安全的吗?

也有有人认为Vector中的方法都进行了同步处理,那么一定就是线程安全的,事实上这可不一定。看下面这段代码:


public class Test {
    static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        while(true) {
            for(int i=0;i<10;i++)
                vector.add(i);
            Thread thread1 = new Thread(){
                public void run() {
                    for(int i=0;i<vector.size();i++)
                        vector.remove(i);
                };
            };
            Thread thread2 = new Thread(){
                public void run() {
                    for(int i=0;i<vector.size();i++)
                        vector.get(i);
                };
            };
            thread1.start();
            thread2.start();
            while(Thread.activeCount()>10)   {
                 
            }
        }
    }
}


在我机器上运行的结果:

241614562532701.jpg

正如大家所看到的,这段代码报错了:数组下标越界。

  也许有朋友会问:Vector是线程安全的,为什么还会报这个错?很简单,对于Vector,虽然能保证每一个时刻只能有一个线程访问它,但是不排除这种可能:

  当某个线程在某个时刻执行这句时:



for(int i=0;i<vector.size();i++)
    vector.get(i);

假若此时vector的size方法返回的是10,i的值为9

  然后另外一个线程执行了这句:


for(int i=0;i<vector.size();i++)
    vector.remove(i);

将下标为9的元素删除了。

那么通过get方法访问下标为9的元素肯定就会出问题了。

0_128063159800g9.gif

因此为了保证线程安全,必须在方法调用端做额外的同步措施,如下面所示:



public class Test {
    static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        while(true) {
            for(int i=0;i<10;i++)
                vector.add(i);
            Thread thread1 = new Thread(){
                public void run() {
                    synchronized (Test.class) {   //进行额外的同步
                        for(int i=0;i<vector.size();i++)
                            vector.remove(i);
                    }
                };
            };
            Thread thread2 = new Thread(){
                public void run() {
                    synchronized (Test.class) {
                        for(int i=0;i<vector.size();i++)
                            vector.get(i);
                    }
                };
            };
            thread1.start();
            thread2.start();
            while(Thread.activeCount()>10)   {
                 
            }
        }
    }
}


并发容器类

正是由于同步容器类有以上问题,导致这些类成了鸡肋,于是Java 5推出了并发容器类,Map对应的有ConcurrentHashMap,List对应的有CopyOnWriteArrayList。与同步容器类相比,它有以下特性:

  • 更加细化的锁机制。同步容器直接把容器对象做为锁,这样就把所有操作串行化,其实这是没必要的,过于悲观,而并发容器采用更细粒度的锁机制,保证一些不会发生并发问题的操作进行并行执行
  • 附加了一些原子性的复合操作。比如putIfAbsent方法
  • 迭代器的弱一致性。它在迭代过程中不再抛出Concurrentmodificationexception异常,而是弱一致性。在并发高的情况下,有可能size和isEmpty方法不准确,但真正在并发环境下这些方法也没什么作用。
  • CopyOnWriteArrayList采用写入时复制的方式避开并发问题。这其实是通过冗余和不可变性来解决并发问题,在性能上会有比较大的代价,但如果写入的操作远远小于迭代和读操作,那么性能就差别不大了。
     具体各个并发容器的详细解释,请参考:http://blog.csdn.net/henry121212/article/details/7698866


8. Executors类是什么?

Executors为Executor,ExecutorService,ScheduledExecutorService,ThreadFactory和Callable类提供了一些工具方法。

Executors可以用于方便的创建线程池。


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