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Java并发知识点有哪些

本篇内容主要讲解“Java并发知识点有哪些”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“Java并发知识点有哪些”吧!

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Java并发知识点有哪些

1.并行跟并发有什么区别？

从操作系统的角度来看，线程是CPU分配的最小单位。

  • 并行就是同一时刻，两个线程都在执行。这就要求有两个CPU去分别执行两个线程。

  • 并发就是同一时刻，只有一个执行，但是一个时间段内，两个线程都执行了。并发的实现依赖于CPU切换线程，因为切换的时间特别短，所以基本对于用户是无感知的。

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就好像我们去食堂打饭，并行就是我们在多个窗口排队，几个阿姨同时打菜；并发就是我们挤在一个窗口，阿姨给这个打一勺，又手忙脚乱地给那个打一勺。

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2.说说什么是进程和线程？

要说线程，必须得先说说进程。

  • 进程：进程是代码在数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。

  • 线程：线程是进程的一个执行路径，一个进程中至少有一个线程，进程中的多个线程共享进程的资源。

操作系统在分配资源时是把资源分配给进程的， 但是 CPU 资源比较特殊，它是被分配到线程的，因为真正要占用CPU运行的是线程，所以也说线程是 CPU分配的基本单位。

比如在Java中，当我们启动 main 函数其实就启动了一个JVM进程，而 main 函数在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

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一个进程中有多个线程，多个线程共用进程的堆和方法区资源，但是每个线程有自己的程序计数器和栈。

3.说说线程有几种创建方式？

Java中创建线程主要有三种方式，分别为继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口。

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  • 继承Thread类，重写run()方法，调用start()方法启动线程

public class ThreadTest {

    /**
     * 继承Thread类
     */
    public static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("This is child thread");
        }
    }

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

  • 实现 Runnable 接口，重写run()方法

public class RunnableTask implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("Runnable!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableTask task = new RunnableTask();
        new Thread(task).start();
    }}

上面两种都是没有返回值的，但是如果我们需要获取线程的执行结果，该怎么办呢？

  • 实现Callable接口，重写call()方法，这种方式可以通过FutureTask获取任务执行的返回值

public class CallerTask implements Callable {
    public String call() throws Exception {
        return "Hello,i am running!";
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建异步任务
        FutureTask task=new FutureTask(new CallerTask());
        //启动线程
        new Thread(task).start();
        try {
            //等待执行完成，并获取返回结果
            String result=task.get();
            System.out.println(result);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }}

4.为什么调用start()方法时会执行run()方法，那怎么不直接调用run()方法？

JVM执行start方法，会先创建一条线程，由创建出来的新线程去执行thread的run方法，这才起到多线程的效果。

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**为什么我们不能直接调用run()方法？**也很清楚， 如果直接调用Thread的run()方法，那么run方法还是运行在主线程中，相当于顺序执行，就起不到多线程的效果。

5.线程有哪些常用的调度方法？

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线程等待与通知

在Object类中有一些函数可以用于线程的等待与通知。

  • wait()：当一个线程A调用一个共享变量的 wait()方法时， 线程A会被阻塞挂起， 发生下面几种情况才会返回 ：

    • （1） 线程A调用了共享对象 notify()或者 notifyAll()方法；

    • （2）其他线程调用了线程A的 interrupt() 方法，线程A抛出InterruptedException异常返回。

  • wait(long timeout) ：这个方法相比 wait() 方法多了一个超时参数，它的不同之处在于，如果线程A调用共享对象的wait(long timeout)方法后，没有在指定的 timeout ms时间内被其它线程唤醒，那么这个方法还是会因为超时而返回。

  • wait(long timeout, int nanos)，其内部调用的是 wait(long timout）函数。

上面是线程等待的方法，而唤醒线程主要是下面两个方法：

  • notify() : 一个线程A调用共享对象的 notify() 方法后，会唤醒一个在这个共享变量上调用 wait 系列方法后被挂起的线程。 一个共享变量上可能会有多个线程在等待，具体唤醒哪个等待的线程是随机的。

  • notifyAll() ：不同于在共享变量上调用 notify() 函数会唤醒被阻塞到该共享变量上的一个线程，notifyAll()方法则会唤醒所有在该共享变量上由于调用 wait 系列方法而被挂起的线程。

Thread类也提供了一个方法用于等待的方法：

  • join()：如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才

    从thread.join()返回。

线程休眠

  • sleep(long millis) :Thread类中的静态方法，当一个执行中的线程A调用了Thread 的sleep方法后，线程A会暂时让出指定时间的执行权，但是线程A所拥有的监视器资源，比如锁还是持有不让出的。指定的睡眠时间到了后该函数会正常返回，接着参与 CPU 的调度，获取到 CPU 资源后就可以继续运行。

让出优先权

  • yield() ：Thread类中的静态方法，当一个线程调用 yield 方法时，实际就是在暗示线程调度器当前线程请求让出自己的CPU ，但是线程调度器可以无条件忽略这个暗示。

线程中断

Java 中的线程中断是一种线程间的协作模式，通过设置线程的中断标志并不能直接终止该线程的执行，而是被中断的线程根据中断状态自行处理。

  • void interrupt() ：中断线程，例如，当线程A运行时，线程B可以调用钱程interrupt() 方法来设置线程的中断标志为true 并立即返回。设置标志仅仅是设置标志, 线程A实际并没有被中断， 会继续往下执行。

  • boolean isInterrupted() 方法： 检测当前线程是否被中断。

  • boolean interrupted() 方法： 检测当前线程是否被中断，与 isInterrupted 不同的是，该方法如果发现当前线程被中断，则会清除中断标志。

6.线程有几种状态？

在Java中，线程共有六种状态：

状态说明
NEW初始状态：线程被创建，但还没有调用start()方法
RUNNABLE运行状态：Java线程将操作系统中的就绪和运行两种状态笼统的称作“运行”
BLOCKED阻塞状态：表示线程阻塞于锁
WAITING等待状态：表示线程进入等待状态，进入该状态表示当前线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）
TIME_WAITING超时等待状态：该状态不同于 WAITIND，它是可以在指定的时间自行返回的
TERMINATED终止状态：表示当前线程已经执行完毕

线程在自身的生命周期中， 并不是固定地处于某个状态，而是随着代码的执行在不同的状态之间进行切换，Java线程状态变化如图示：

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7.什么是线程上下文切换？

使用多线程的目的是为了充分利用CPU，但是我们知道，并发其实是一个CPU来应付多个线程。

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为了让用户感觉多个线程是在同时执行的， CPU 资源的分配采用了时间片轮转也就是给每个线程分配一个时间片，线程在时间片内占用 CPU 执行任务。当线程使用完时间片后，就会处于就绪状态并让出 CPU 让其他线程占用，这就是上下文切换。

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8.守护线程了解吗？

Java中的线程分为两类，分别为 daemon 线程（守护线程）和 user 线程（用户线程）。

在JVM 启动时会调用 main 函数，main函数所在的钱程就是一个用户线程。其实在 JVM 内部同时还启动了很多守护线程， 比如垃圾回收线程。

那么守护线程和用户线程有什么区别呢？区别之一是当最后一个非守护线程束时， JVM会正常退出，而不管当前是否存在守护线程，也就是说守护线程是否结束并不影响 JVM退出。换而言之，只要有一个用户线程还没结束，正常情况下JVM就不会退出。

9.线程间有哪些通信方式？

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  • volatile和synchronized关键字

关键字volatile可以用来修饰字段（成员变量），就是告知程序任何对该变量的访问均需要从共享内存中获取，而对它的改变必须同步刷新回共享内存，它能保证所有线程对变量访问的可见性。

关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性。

  • 等待/通知机制

可以通过Java内置的等待/通知机制（wait()/notify()）实现一个线程修改一个对象的值，而另一个线程感知到了变化，然后进行相应的操作。

  • 管道输入/输出流

管道输入/输出流和普通的文件输入/输出流或者网络输入/输出流不同之处在于，它主要用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。

管道输入/输出流主要包括了如下4种具体实现：PipedOutputStream、PipedInputStream、 PipedReader和PipedWriter，前两种面向字节，而后两种面向字符。

  • 使用Thread.join()

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。。线程Thread除了提供join()方法之外，还提供了join(long millis)和join(long millis,int nanos)两个具备超时特性的方法。

  • 使用ThreadLocal

ThreadLocal，即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值的存储结构。这个结构被附带在线程上，也就是说一个线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个线程上的一个值。

可以通过set(T)方法来设置一个值，在当前线程下再通过get()方法获取到原先设置的值。

关于多线程，其实很大概率还会出一些笔试题，比如交替打印、银行转账、生产消费模型等等，后面老三会单独出一期来盘点一下常见的多线程笔试题。

ThreadLocal

ThreadLocal其实应用场景不是很多，但却是被炸了千百遍的面试老油条，涉及到多线程、数据结构、JVM，可问的点比较多，一定要拿下。

10.ThreadLocal是什么？

ThreadLocal，也就是线程本地变量。如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地拷贝，多个线程操作这个变量的时候，实际是操作自己本地内存里面的变量，从而起到线程隔离的作用，避免了线程安全问题。

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  • 创建

创建了一个ThreadLoca变量localVariable，任何一个线程都能并发访问localVariable。

//创建一个ThreadLocal变量public static ThreadLocal localVariable = new ThreadLocal<>();

  • 写入

线程可以在任何地方使用localVariable，写入变量。

localVariable.set("鄙人三某”);

  • 读取

线程在任何地方读取的都是它写入的变量。

localVariable.get();

11.你在工作中用到过ThreadLocal吗？

有用到过的，用来做用户信息上下文的存储。

我们的系统应用是一个典型的MVC架构，登录后的用户每次访问接口，都会在请求头中携带一个token，在控制层可以根据这个token，解析出用户的基本信息。那么问题来了，假如在服务层和持久层都要用到用户信息，比如rpc调用、更新用户获取等等，那应该怎么办呢？

一种办法是显式定义用户相关的参数，比如账号、用户名……这样一来，我们可能需要大面积地修改代码，多少有点瓜皮，那该怎么办呢？

这时候我们就可以用到ThreadLocal，在控制层拦截请求把用户信息存入ThreadLocal，这样我们在任何一个地方，都可以取出ThreadLocal中存的用户数据。

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很多其它场景的cookie、session等等数据隔离也都可以通过ThreadLocal去实现。

我们常用的数据库连接池也用到了ThreadLocal：

  • 数据库连接池的连接交给ThreadLoca进行管理，保证当前线程的操作都是同一个Connnection。

12.ThreadLocal怎么实现的呢？

我们看一下ThreadLocal的set(T)方法，发现先获取到当前线程，再获取ThreadLocalMap，然后把元素存到这个map中。

    public void set(T value) {
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //讲当前元素存入map
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

ThreadLocal实现的秘密都在这个ThreadLocalMap了，可以Thread类中定义了一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的成员变量threadLocals。

public class Thread implements Runnable {
   //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的属性
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;}

ThreadLocalMap既然被称为Map，那么毫无疑问它是型的数据结构。我们都知道map的本质是一个个形式的节点组成的数组，那ThreadLocalMap的节点是什么样的呢？

        static class Entry extends WeakReference> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            //节点类
            Entry(ThreadLocal k, Object v) {
                //key赋值
                super(k);
                //value赋值
                value = v;
            }
        }

这里的节点，key可以简单低视作ThreadLocal，value为代码中放入的值，当然实际上key并不是ThreadLocal本身，而是它的一个弱引用，可以看到Entry的key继承了 WeakReference（弱引用），再来看一下key怎么赋值的：

    public WeakReference(T referent) {
        super(referent);
    }

key的赋值，使用的是WeakReference的赋值。

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所以，怎么回答ThreadLocal原理？要答出这几个点：

  • Thread类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals，每个线程都有一个属于自己的ThreadLocalMap。

  • ThreadLocalMap内部维护着Entry数组，每个Entry代表一个完整的对象，key是ThreadLocal的弱引用，value是ThreadLocal的泛型值。

  • 每个线程在往ThreadLocal里设置值的时候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，读也是以某个ThreadLocal作为引用，在自己的map里找对应的key，从而实现了线程隔离。

  • ThreadLocal本身不存储值，它只是作为一个key来让线程往ThreadLocalMap里存取值。

13.ThreadLocal 内存泄露是怎么回事？

我们先来分析一下使用ThreadLocal时的内存，我们都知道，在JVM中，栈内存线程私有，存储了对象的引用，堆内存线程共享，存储了对象实例。

所以呢，栈中存储了ThreadLocal、Thread的引用，堆中存储了它们的具体实例。

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ThreadLocalMap中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用。

“弱引用：只要垃圾回收机制一运行，不管JVM的内存空间是否充足，都会回收该对象占用的内存。”

那么现在问题就来了，弱引用很容易被回收，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是ThreadLocalMap生命周期和Thread是一样的，它这时候如果不被回收，就会出现这种情况：ThreadLocalMap的key没了，value还在，这就会造成了内存泄漏问题。

那怎么解决内存泄漏问题呢？

很简单，使用完ThreadLocal后，及时调用remove()方法释放内存空间。

ThreadLocal localVariable = new ThreadLocal();try {
    localVariable.set("鄙人三某”);
    ……} finally {
    localVariable.remove();}

那为什么key还要设计成弱引用？

key设计成弱引用同样是为了防止内存泄漏。

假如key被设计成强引用，如果ThreadLocal Reference被销毁，此时它指向ThreadLoca的强引用就没有了，但是此时key还强引用指向ThreadLoca，就会导致ThreadLocal不能被回收，这时候就发生了内存泄漏的问题。

14.ThreadLocalMap的结构了解吗？

ThreadLocalMap虽然被叫做Map，其实它是没有实现Map接口的，但是结构还是和HashMap比较类似的，主要关注的是两个要素：元素数组和散列方法。

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  • 元素数组

    一个table数组，存储Entry类型的元素，Entry是ThreaLocal弱引用作为key，Object作为value的结构。

 private Entry[] table;

  • 散列方法

    散列方法就是怎么把对应的key映射到table数组的相应下标，ThreadLocalMap用的是哈希取余法，取出key的threadLocalHashCode，然后和table数组长度减一&运算（相当于取余）。

int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);

这里的threadLocalHashCode计算有点东西，每创建一个ThreadLocal对象，它就会新增0x61c88647，这个值很特殊，它是斐波那契数也叫 黄金分割数。hash增量为 这个数字，带来的好处就是 hash 分布非常均匀。

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

15.ThreadLocalMap怎么解决Hash冲突的？

我们可能都知道HashMap使用了链表来解决冲突，也就是所谓的链地址法。

ThreadLocalMap没有使用链表，自然也不是用链地址法来解决冲突了，它用的是另外一种方式——开放定址法。开放定址法是什么意思呢？简单来说，就是这个坑被人占了，那就接着去找空着的坑。

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如上图所示，如果我们插入一个value=27的数据，通过 hash计算后应该落入第 4 个槽位中，而槽位 4 已经有了 Entry数据，而且Entry数据的key和当前不相等。此时就会线性向后查找，一直找到 Entry为 null的槽位才会停止查找，把元素放到空的槽中。

在get的时候，也会根据ThreadLocal对象的hash值，定位到table中的位置，然后判断该槽位Entry对象中的key是否和get的key一致，如果不一致，就判断下一个位置。

16.ThreadLocalMap扩容机制了解吗？

在ThreadLocalMap.set()方法的最后，如果执行完启发式清理工作后，未清理到任何数据，且当前散列数组中Entry的数量已经达到了列表的扩容阈值(len*2/3)，就开始执行rehash()逻辑：

if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
    rehash();

再着看rehash()具体实现：这里会先去清理过期的Entry，然后还要根据条件判断size >= threshold - threshold / 4 也就是size >= threshold* 3/4来决定是否需要扩容。

private void rehash() {
    //清理过期Entry
    expungeStaleEntries();

    //扩容
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();}//清理过期Entryprivate void expungeStaleEntries() {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = tab[j];
        if (e != null && e.get() == null)
            expungeStaleEntry(j);
    }}

接着看看具体的resize()方法，扩容后的newTab的大小为老数组的两倍，然后遍历老的table数组，散列方法重新计算位置，开放地址解决冲突，然后放到新的newTab，遍历完成之后，oldTab中所有的entry数据都已经放入到newTab中了，然后table引用指向newTab

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具体代码：

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17.父子线程怎么共享数据？

父线程能用ThreadLocal来给子线程传值吗？毫无疑问，不能。那该怎么办？

这时候可以用到另外一个类——InheritableThreadLocal。

使用起来很简单，在主线程的InheritableThreadLocal实例设置值，在子线程中就可以拿到了。

public class InheritableThreadLocalTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        final ThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal();
        // 主线程
        threadLocal.set("不擅技术");
        //子线程
        Thread t = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                super.run();
                System.out.println("鄙人三某 ，" + threadLocal.get());
            }
        };
        t.start();
    }}

那原理是什么呢？

原理很简单，在Thread类里还有另外一个变量：

ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

在Thread.init的时候，如果父线程的inheritableThreadLocals不为空，就把它赋给当前线程（子线程）的inheritableThreadLocals。

        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals)

18.说一下你对Java内存模型（JMM）的理解？

Java内存模型（Java Memory Model，JMM），是一种抽象的模型，被定义出来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异。

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

Java内存模型的抽象图：

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本地内存是JMM的 一个抽象概念，并不真实存在。它其实涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

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图里面的是一个双核 CPU 系统架构 ，每个核有自己的控制器和运算器，其中控制器包含一组寄存器和操作控制器，运算器执行算术逻辅运算。每个核都有自己的一级缓存，在有些架构里面还有一个所有 CPU 共享的二级缓存。 那么 Java 内存模型里面的工作内存，就对应这里的 Ll 缓存或者 L2 缓存或者 CPU 寄存器。

19.说说你对原子性、可见性、有序性的理解？

原子性、有序性、可见性是并发编程中非常重要的基础概念，JMM的很多技术都是围绕着这三大特性展开。

  • 原子性：原子性指的是一个操作是不可分割、不可中断的，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就全不执行。

  • 可见性：可见性指的是一个线程修改了某一个共享变量的值时，其它线程能够立即知道这个修改。

  • 有序性：有序性指的是对于一个线程的执行代码，从前往后依次执行，单线程下可以认为程序是有序的，但是并发时有可能会发生指令重排。

分析下面几行代码的原子性？

int i = 2;int j = i;i++;i = i + 1;

  • 第1句是基本类型赋值，是原子性操作。

  • 第2句先读i的值，再赋值到j，两步操作，不能保证原子性。

  • 第3和第4句其实是等效的，先读取i的值，再+1，最后赋值到i，三步操作了，不能保证原子性。

原子性、可见性、有序性都应该怎么保证呢？

  • 原子性：JMM只能保证基本的原子性，如果要保证一个代码块的原子性，需要使用synchronized。

  • 可见性：Java是利用volatile关键字来保证可见性的，除此之外，final和synchronized也能保证可见性。

  • 有序性：synchronized或者volatile都可以保证多线程之间操作的有序性。

20.那说说什么是指令重排？

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型。

  1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

  2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应 机器指令的执行顺序。

  3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面3种重排序，如图：

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我们比较熟悉的双重校验单例模式就是一个经典的指令重排的例子，Singleton instance=new Singleton()；对应的JVM指令分为三步：分配内存空间–>初始化对象—>对象指向分配的内存空间，但是经过了编译器的指令重排序，第二步和第三步就可能会重排序。

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JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

21.指令重排有限制吗？happens-before了解吗？

指令重排也是有一些限制的，有两个规则happens-before和as-if-serial来约束。

happens-before的定义：

  • 如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

  • 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照 happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法

happens-before和我们息息相关的有六大规则：

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  • 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

  • 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

  • volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

  • 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

  • start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的 ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。

  • join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作 happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

22.as-if-serial又是什么？单线程的程序一定是顺序的吗？

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。为了具体说明，请看下面计算圆面积的代码示例。

double pi = 3.14;   // Adouble r = 1.0;   // B double area = pi * r * r;   // C

上面3个操作的数据依赖关系：

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A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的结果将会被改变）。但A和B之间没有数据依赖关系，编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。

所以最终，程序可能会有两种执行顺序：

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as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器、runtime和处理器共同编织了这么一个“楚门的世界”：单线程程序是按程序的“顺序”来执行的。as- if-serial语义使单线程情况下，我们不需要担心重排序的问题，可见性的问题。

23.volatile实现原理了解吗？

volatile有两个作用，保证可见性和有序性。

volatile怎么保证可见性的呢？

相比synchronized的加锁方式来解决共享变量的内存可见性问题，volatile就是更轻量的选择，它没有上下文切换的额外开销成本。

volatile可以确保对某个变量的更新对其他线程马上可见，一个变量被声明为volatile 时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存 当其它线程读取该共享变量 ，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的本地内存中的值。

例如，我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，线程A修改x=1，修改完之后就会把新的值刷新回主内存，线程B读取x的时候，就会清空本地内存变量，然后再从主内存获取最新值。

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volatile怎么保证有序性的呢？

重排序可以分为编译器重排序和处理器重排序，valatile保证有序性，就是通过分别限制这两种类型的重排序。

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为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

  1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障

  2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障

  3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障

  4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障

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24.synchronized用过吗？怎么使用？

synchronized经常用的，用来保证代码的原子性。

synchronized主要有三种用法：

  • 修饰实例方法:作用于当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁

synchronized void method() {
  //业务代码}

  • 修饰静态方法：也就是给当前类加锁，会作⽤于类的所有对象实例 ，进⼊同步代码前要获得当前 class 的锁。因为静态成员不属于任何⼀个实例对象，是类成员（ static 表明这是该类的⼀个静态资源，不管 new 了多少个对象，只有⼀份）。

    如果⼀个线程 A 调⽤⼀个实例对象的⾮静态 synchronized ⽅法，⽽线程 B 需要调⽤这个实例对象所属类的静态 synchronized ⽅法，是允许的，不会发⽣互斥现象，因为访问静态 synchronized ⽅法占⽤的锁是当前类的锁，⽽访问⾮静态 synchronized ⽅法占⽤的锁是当前实例对象锁。

synchronized void staic method() {
 //业务代码}

  • 修饰代码块：指定加锁对象，对给定对象/类加锁。 synchronized(this|object) 表示进⼊同步代码库前要获得给定对象的锁。 synchronized(类.class) 表示进⼊同步代码前要获得 当前 class的锁

synchronized(this) {
 //业务代码}

25.synchronized的实现原理？

synchronized是怎么加锁的呢？

我们使用synchronized的时候，发现不用自己去lock和unlock，是因为JVM帮我们把这个事情做了。

  1. synchronized修饰代码块时，JVM采用monitorenter、monitorexit两个指令来实现同步，monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置， monitorexit 指令则指向同步代码块的结束位置。

    反编译一段synchronized修饰代码块代码，javap -c -s -v -l SynchronizedDemo.class，可以看到相应的字节码指令。

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  1. synchronized修饰同步方法时，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步，这个标识指明了该方法是一个同步方法。

    同样可以写段代码反编译看一下。

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synchronized锁住的是什么呢？

monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是基于Monitor实现的。

实例对象结构里有对象头，对象头里面有一块结构叫Mark Word，Mark Word指针指向了monitor。

所谓的Monitor其实是一种同步工具，也可以说是一种同步机制。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的，可以叫做内部锁，或者Monitor锁。

ObjectMonitor的工作原理：

  • ObjectMonitor有两个队列：_WaitSet、_EntryList，用来保存ObjectWaiter 对象列表。

  • _owner，获取 Monitor 对象的线程进入 _owner 区时， _count + 1。如果线程调用了 wait() 方法，此时会释放 Monitor 对象， _owner 恢复为空， _count - 1。同时该等待线程进入 _WaitSet 中，等待被唤醒。

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录线程获取锁的次数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //锁的重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor对象的线程
    _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 ;
  }

可以类比一个去医院就诊的例子[18]：

  • 首先，患者在门诊大厅前台或自助挂号机进行挂号；

  • 随后，挂号结束后患者找到对应的诊室就诊：

    • 诊室每次只能有一个患者就诊；

    • 如果此时诊室空闲，直接进入就诊；

    • 如果此时诊室内有其它患者就诊，那么当前患者进入候诊室，等待叫号；

  • 就诊结束后，走出就诊室，候诊室的下一位候诊患者进入就诊室。

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这个过程就和Monitor机制比较相似：

  • 门诊大厅：所有待进入的线程都必须先在入口Entry Set挂号才有资格；

  • 就诊室：就诊室**_Owner**里里只能有一个线程就诊，就诊完线程就自行离开

  • 候诊室：就诊室繁忙时，进入等待区（Wait Set），就诊室空闲的时候就从**等待区（Wait Set）**叫新的线程

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所以我们就知道了，同步是锁住的什么东西：

  • monitorenter，在判断拥有同步标识 ACC_SYNCHRONIZED 抢先进入此方法的线程会优先拥有 Monitor 的 owner ，此时计数器 +1。

  • monitorexit，当执行完退出后，计数器 -1，归 0 后被其他进入的线程获得。

26.除了原子性，synchronized可见性，有序性，可重入性怎么实现？

synchronized怎么保证可见性？

  • 线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值。

  • 线程加锁后，其它线程无法获取主内存中的共享变量。

  • 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中。

synchronized怎么保证有序性？

synchronized同步的代码块，具有排他性，一次只能被一个线程拥有，所以synchronized保证同一时刻，代码是单线程执行的。

因为as-if-serial语义的存在，单线程的程序能保证最终结果是有序的，但是不保证不会指令重排。

所以synchronized保证的有序是执行结果的有序性，而不是防止指令重排的有序性。

synchronized怎么实现可重入的呢？

synchronized 是可重入锁，也就是说，允许一个线程二次请求自己持有对象锁的临界资源，这种情况称为可重入锁。

synchronized 锁对象的时候有个计数器，他会记录下线程获取锁的次数，在执行完对应的代码块之后，计数器就会-1，直到计数器清零，就释放锁了。

之所以，是可重入的。是因为 synchronized 锁对象有个计数器，会随着线程获取锁后 +1 计数，当线程执行完毕后 -1，直到清零释放锁。

27.锁升级？synchronized优化了解吗？

了解锁升级，得先知道，不同锁的状态是什么样的。这个状态指的是什么呢？

Java对象头里，有一块结构，叫Mark Word标记字段，这块结构会随着锁的状态变化而变化。

64 位虚拟机 Mark Word 是 64bit，我们来看看它的状态变化：

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Mark Word存储对象自身的运行数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、偏向时间戳（Epoch）等。

synchronized做了哪些优化？

在JDK1.6之前，synchronized的实现直接调用ObjectMonitor的enter和exit，这种锁被称之为重量级锁。从JDK6开始，HotSpot虚拟机开发团队对Java中的锁进行优化，如增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略，提升了synchronized的性能。

  • 偏向锁：在无竞争的情况下，只是在Mark Word里存储当前线程指针，CAS操作都不做。

  • 轻量级锁：在没有多线程竞争时，相对重量级锁，减少操作系统互斥量带来的性能消耗。但是，如果存在锁竞争，除了互斥量本身开销，还额外有CAS操作的开销。

  • 自旋锁：减少不必要的CPU上下文切换。在轻量级锁升级为重量级锁时，就使用了自旋加锁的方式

  • 锁粗化：将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。

  • 锁消除：虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

锁升级的过程是什么样的？

锁升级方向：无锁–>偏向锁—> 轻量级锁---->重量级锁，这个方向基本上是不可逆的。

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我们看一下升级的过程：

偏向锁：

偏向锁的获取：

  1. 判断是否为可偏向状态–MarkWord中锁标志是否为‘01’，是否偏向锁是否为‘1’

  2. 如果是可偏向状态，则查看线程ID是否为当前线程，如果是，则进入步骤’5’，否则进入步骤‘3’

  3. 通过CAS操作竞争锁，如果竞争成功，则将MarkWord中线程ID设置为当前线程ID，然后执行‘5’；竞争失败，则执行‘4’

  4. CAS获取偏向锁失败表示有竞争。当达到safepoint时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块

  5. 执行同步代码

偏向锁的撤销：

  1. 偏向锁不会主动释放(撤销)，只有遇到其他线程竞争时才会执行撤销，由于撤销需要知道当前持有该偏向锁的线程栈状态，因此要等到safepoint时执行，此时持有该偏向锁的线程（T）有‘2’，‘3’两种情况；

  2. 撤销----T线程已经退出同步代码块，或者已经不再存活，则直接撤销偏向锁，变成无锁状态----该状态达到阈值20则执行批量重偏向

  3. 升级----T线程还在同步代码块中，则将T线程的偏向锁升级为轻量级锁，当前线程执行轻量级锁状态下的锁获取步骤----该状态达到阈值40则执行批量撤销

轻量级锁：

轻量级锁的获取：

  1. 进行加锁操作时，jvm会判断是否已经时重量级锁，如果不是，则会在当前线程栈帧中划出一块空间，作为该锁的锁记录，并且将锁对象MarkWord复制到该锁记录中

  2. 复制成功之后，jvm使用CAS操作将对象头MarkWord更新为指向锁记录的指针，并将锁记录里的owner指针指向对象头的MarkWord。如果成功，则执行‘3’，否则执行‘4’

  3. 更新成功，则当前线程持有该对象锁，并且对象MarkWord锁标志设置为‘00’，即表示此对象处于轻量级锁状态

  4. 更新失败，jvm先检查对象MarkWord是否指向当前线程栈帧中的锁记录，如果是则执行‘5’，否则执行‘4’

  5. 表示锁重入；然后当前线程栈帧中增加一个锁记录第一部分（Displaced Mark Word）为null，并指向Mark Word的锁对象，起到一个重入计数器的作用。

  6. 表示该锁对象已经被其他线程抢占，则进行自旋等待（默认10次），等待次数达到阈值仍未获取到锁，则升级为重量级锁

大体上省简的升级过程：

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完整的升级过程：

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28.说说synchronized和ReentrantLock的区别？

可以从锁的实现、功能特点、性能等几个维度去回答这个问题：

  • 锁的实现：synchronized是Java语言的关键字，基于JVM实现。而ReentrantLock是基于JDK的API层面实现的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 语句块来完成。）

  • 性能：在JDK1.6锁优化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6开始，增加了适应性自旋、锁消除等，两者性能就差不多了。

  • 功能特点：ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能，如等待可中断、可实现公平锁、可实现选择性通知。

    • ReentrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制

    • ReentrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。

    • synchronized与wait()和notify()/notifyAll()方法结合实现等待/通知机制，ReentrantLock类借助Condition接口与newCondition()方法实现。

    • ReentrantLock需要手工声明来加锁和释放锁，一般跟finally配合释放锁。而synchronized不用手动释放锁。

下面的表格列出出了两种锁之间的区别：

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29.AQS了解多少？

AbstractQueuedSynchronizer 抽象同步队列，简称 AQS ，它是Java并发包的根基，并发包中的锁就是基于AQS实现的。

  • AQS是基于一个FIFO的双向队列，其内部定义了一个节点类Node，Node 节点内部的 SHARED 用来标记该线程是获取共享资源时被阻挂起后放入AQS 队列的， EXCLUSIVE 用来标记线程是 取独占资源时被挂起后放入AQS 队列

  • AQS 使用一个 volatile 修饰的 int 类型的成员变量 state 来表示同步状态，修改同步状态成功即为获得锁，volatile 保证了变量在多线程之间的可见性，修改 State 值时通过 CAS 机制来保证修改的原子性

  • 获取state的方式分为两种，独占方式和共享方式，一个线程使用独占方式获取了资源，其它线程就会在获取失败后被阻塞。一个线程使用共享方式获取了资源，另外一个线程还可以通过CAS的方式进行获取。

  • 如果共享资源被占用，需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁的分配，AQS 中会将竞争共享资源失败的线程添加到一个变体的 CLH 队列中。

Java并发知识点有哪些先简单了解一下CLH：Craig、Landin and Hagersten 队列，是 单向链表实现的队列。申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现 前驱节点释放了锁就结束自旋

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AQS 中的队列是 CLH 变体的虚拟双向队列，通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配：

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AQS 中的 CLH 变体等待队列拥有以下特性：

  • AQS 中队列是个双向链表，也是 FIFO 先进先出的特性

  • 通过 Head、Tail 头尾两个节点来组成队列结构，通过 volatile 修饰保证可见性

  • Head 指向节点为已获得锁的节点，是一个虚拟节点，节点本身不持有具体线程

  • 获取不到同步状态，会将节点进行自旋获取锁，自旋一定次数失败后会将线程阻塞，相对于 CLH 队列性能较好

ps:AQS源码里面有很多细节可问，建议有时间好好看看AQS源码。

30.ReentrantLock实现原理？

ReentrantLock 是可重入的独占锁，只能有一个线程可以获取该锁，其它获取该锁的线程会被阻塞而被放入该锁的阻塞队列里面。

看看ReentrantLock的加锁操作：

    // 创建非公平锁
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 获取锁操作
    lock.lock();
    try {
        // 执行代码逻辑
    } catch (Exception ex) {
        // ...
    } finally {
        // 解锁操作
        lock.unlock();
    }

new ReentrantLock()构造函数默认创建的是非公平锁 NonfairSync。

公平锁 FairSync

  1. 公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁

  2. 公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU 唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大

非公平锁 NonfairSync

  • 非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁

  • 非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU 不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁

默认创建的对象lock()的时候：

  • 如果锁当前没有被其它线程占用，并且当前线程之前没有获取过该锁，则当前线程会获取到该锁，然后设置当前锁的拥有者为当前线程，并设置 AQS 的状态值为1 ，然后直接返回。如果当前线程之前己经获取过该锁，则这次只是简单地把 AQS 的状态值加1后返回。


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