Java面试篇（多线程相关专题）

文章目录

• [0. 前言](#0. 前言)
• [1. 线程基础](#1. 线程基础)
• • [1.1 线程和进程](#1.1 线程和进程)
  • • [1.1.1 进程](#1.1.1 进程)
    • [1.1.2 线程](#1.1.2 线程)
    • [1.1.3 进程和线程的区别](#1.1.3 进程和线程的区别)
  • [1.2 并行和并发](#1.2 并行和并发)
  • • [1.2.1 单核 CPU 的情况](#1.2.1 单核 CPU 的情况)
    • [1.2.2 多核 CPU 的情况](#1.2.2 多核 CPU 的情况)
    • [1.2.3 并行和并发的区别](#1.2.3 并行和并发的区别)
  • [1.3 线程创建的方式](#1.3 线程创建的方式)
  • • [1.3.1 继承 Thread 类，重写 run 方法](#1.3.1 继承 Thread 类，重写 run 方法)
    • [1.3.2 实现 Runnable 接口，重写 run 方法](#1.3.2 实现 Runnable 接口，重写 run 方法)
    • [1.3.3 实现 Callable 接口，重写 call 方法](#1.3.3 实现 Callable 接口，重写 call 方法)
    • [1.3.4 通过线程池创建线程（项目中的使用方式）](#1.3.4 通过线程池创建线程（项目中的使用方式）)
    • [1.3.5 Runnable 接口与 Callable 接口有什么区别](#1.3.5 Runnable 接口与 Callable 接口有什么区别)
    • [1.3.6 在启动线程的时候，可以使用 run 方法吗，run 方法和 start 方法有什么区别](#1.3.6 在启动线程的时候，可以使用 run 方法吗，run 方法和 start 方法有什么区别)
  • [1.4 线程包括哪些状态，状态之间是如何转换的](#1.4 线程包括哪些状态，状态之间是如何转换的)
  • • [1.4.1 线程的状态](#1.4.1 线程的状态)
    • [1.4.2 线程状态之间是如何转换的](#1.4.2 线程状态之间是如何转换的)
  • [1.5 新建三个线程，如何保证它们按照顺序执行](#1.5 新建三个线程，如何保证它们按照顺序执行)
  • [1.6 notify 方法和 notifyAll 方法有什么区别](#1.6 notify 方法和 notifyAll 方法有什么区别)
  • [1.7 wait 方法和 sleep 方法的区别](#1.7 wait 方法和 sleep 方法的区别)
  • • [1.7.1 共同点](#1.7.1 共同点)
    • [1.7.2 不同点](#1.7.2 不同点)
  • [1.8 如何停止一个正在运行的线程](#1.8 如何停止一个正在运行的线程)
• [2. 线程安全](#2. 线程安全)
• • [2.1 synchronized 关键字的底层原理](#2.1 synchronized 关键字的底层原理)
  • [2.2 synchronized 关键字的底层原理-进阶](#2.2 synchronized 关键字的底层原理-进阶)
  • [2.3 Java 的内存模型](#2.3 Java 的内存模型)
  • [2.4 CAS](#2.4 CAS)
  • [2.5 volatile 关键字](#2.5 volatile 关键字)
  • • [2.5.1 保证共享变量在线程间的可见性](#2.5.1 保证共享变量在线程间的可见性)
    • [2.5.2 禁止指令重排序](#2.5.2 禁止指令重排序)
  • [2.6 AQS](#2.6 AQS)
  • • [2.6.1 AQS 与 synchronized 的区别](#2.6.1 AQS 与 synchronized 的区别)
    • [2.6.2 AQS 的常见实现类](#2.6.2 AQS 的常见实现类)
    • [2.6.3 AQS 的基本工作机制](#2.6.3 AQS 的基本工作机制)
  • [2.7 ReentrantLock 的底层实现原理](#2.7 ReentrantLock 的底层实现原理)
  • [2.8 synchronized 和 Lock 有什么区别](#2.8 synchronized 和 Lock 有什么区别)
  • • [2.8.1 语法层面](#2.8.1 语法层面)
    • [2.8.2 功能层面](#2.8.2 功能层面)
    • [2.8.3 性能层面](#2.8.3 性能层面)
  • [2.9 死锁产生的条件及排查方案](#2.9 死锁产生的条件及排查方案)
  • [2.10 ConcurrentHashMap](#2.10 ConcurrentHashMap)
  • [2.11 导致并发程序出现问题的根本原因](#2.11 导致并发程序出现问题的根本原因)
  • • [2.11.1 原子性](#2.11.1 原子性)
    • [2.11.2 可见性](#2.11.2 可见性)
    • [2.11.3 有序性](#2.11.3 有序性)

0. 前言

相信说到多线程，很多同学都麻了，因为我们在学习过程中基本上没有使用过多线程，而且在项目开发的过程中好像也没怎么用到多线程，但面试官是真爱问，我们必须要研究一下

与多线程相关的面试题一般都有两个标签：高频、难以回答

与多线程相关的面试题大概分为四类

• 第一类：线程的基础知识，涉及到很多面试题，但相对来说比较好回答
• 第二类：线程中的并发安全，这一类的内容被问到的概率非常高，并且不太好回答，大部分都是跟锁的内容有关
• 第三类：线程池，一般在项目中使用多线程的话，都会配合线程池一起使用
• 第四类：使用场景，这个是最让人头疼的，前三类问题死记硬背可能还没啥问题，但是遇到场景问题可能就毫无思路了，万一面试官一上来就问你们在项目中哪里用到线程池，像这些场景题，因为大家没有经历过，项目中根本没用过，不太好回答，不过没关系，这次我们一起来搞定这些问题

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其实学习多线程相关的知识，不仅仅是为了应付面试，更是为了个人技能水平的提升，万一以后项目中真要使用到多线程，也能快速上手

线程池和使用场景部分可以查看我的另一篇博文：Java面试篇（线程池相关专题）

1. 线程基础

1.1 线程和进程

1.1.1 进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU ，将数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备，进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的

简单地来说，当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，就开启了一个进程

进程也可细分为多实例进程和单实例进程

1.1.2 线程

一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行

一个进程之内可以分为一到多个线程

1.1.3 进程和线程的区别

1. 进程是正在运行程序的实例，进程中包含了线程，每个线程执行不同的任务
2. 不同的进程使用不同的内存空间，进程下的所有线程可以共享进程的内存空间
3. 线程更轻量，线程上下文切换的成本一般上要比进程上下文切换低（上下文切换指的是从一个线程切换到另一个线程）

1.2 并行和并发

1.2.1 单核 CPU 的情况

单核 CPU 下线程实际还是串行执行的

操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 CPU 的时间片（Windows 操作系统下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 CPU 在线程间的切换非常快（时间片很短），人类感觉是同时运行的

总结为一句话就是：微观上是串行的，宏观上是并行的

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发（concurrent）

1.2.2 多核 CPU 的情况

每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的

1.2.3 并行和并发的区别

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力

并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

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举一个例子方便大家理解：

• 家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
• 家庭主妇雇了个保姆，她们一起做这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）
• 家庭主妇雇了 3 个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行

1.3 线程创建的方式

共有四种方式可以创建线程，分别是：

• 继承 Thread 类，重写 run 方法
• 实现 Runnable 接口，重写 run 方法
• 实现 Callable 接口，重写 call 方法
• 通过线程池创建线程（项目中的使用方式）

1.3.1 继承 Thread 类，重写 run 方法

public class MyThread extends Thread {
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread is running");
    }

}

import cn.edu.scau.thread.MyThread;

public class ThreadDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

1.3.2 实现 Runnable 接口，重写 run 方法

public class MyRunnable implements Runnable {
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyRunnable is running");
    }
    
}

import cn.edu.scau.runnable.MyRunnable;

public class RunnableDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();

        Thread t1 = new Thread(myRunnable);
        Thread t2 = new Thread(myRunnable);

        t1.start();
        t2.start();
    }

}

1.3.3 实现 Callable 接口，重写 call 方法

import java.util.concurrent.Callable;

public class MyCallable implements Callable<String> {

    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("MyCallable is calling");
        return "ok";
    }

}

import cn.edu.scau.callable.MyCallable;

import java.util.concurrent.FutureTask;

public class CallableDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyCallable myCallable = new MyCallable();

        FutureTask<String> stringFutureTask = new FutureTask<>(myCallable);
        Thread thread = new Thread(stringFutureTask);
        thread.start();

        String result;
        try {
            result = stringFutureTask.get();
            System.out.println("result = " + result);
        } catch (Exception exception) {
            exception.printStackTrace();
        }
    }

}

1.3.4 通过线程池创建线程（项目中的使用方式）

package cn.edu.scau.threadpool;

public class MyExecutor implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyExecutor is running");
    }

}

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 提交任务
        executorService.submit(new MyExecutor());
        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }

}

1.3.5 Runnable 接口与 Callable 接口有什么区别

• Runnable 接口的 run 方法没有返回值
• Callable 接口 call 方法有返回值，是个泛型，和 Future、FutureTask 配合可以用来获取异步执行的结果
• Callable 接口的 call 方法允许抛出异常，而 Runnable 接口的 run 方法的异常只能在内部处理（使用 try-catch 代码块），不能继续上抛

1.3.6 在启动线程的时候，可以使用 run 方法吗，run 方法和 start 方法有什么区别

• start 方法：用来启动线程，通过该线程调用 run 方法执行 run 方法中所定义的逻辑代码，start 方法只能被调用一次，如果多次调用 start 方法会抛出异常（IllegalThreadStateException）
• run 方法：封装了要被线程执行的代码，可以被调用多次
• 调用 run 方法使用的是原线程，而调用 start 方法会另开一个线程

---

下面是一个例子

public class MyRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.err.println("currentThread = " + Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("MyRunnable is running");
    }

}

import cn.edu.scau.runnable.MyRunnable;

public class RunnableDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();

        Thread t1 = new Thread(myRunnable);
        Thread t2 = new Thread(myRunnable);

        t1.run();
        t1.run();

        t1.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

输出结果如下

1.4 线程包括哪些状态，状态之间是如何转换的

1.4.1 线程的状态

线程的状态可以参考 JDK 中 Thread 类中的枚举类 State，主要有以下六个状态：

• NEW：新建
• RUNNABLE：可运行
• BLOCKED：阻塞
• WAITING：等待
• TIMED_WAITING：计时等待
• TERMINATED：终止

public enum State {
    /**
     * Thread state for a thread which has not yet started.
     */
    NEW,

    /**
     * Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
     * state is executing in the Java virtual machine but it may
     * be waiting for other resources from the operating system
     * such as processor.
     */
    RUNNABLE,

    /**
     * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
     * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
     * to enter a synchronized block/method or
     * reenter a synchronized block/method after calling
     * {@link Object#wait() Object.wait}.
     */
    BLOCKED,

    /**
     * Thread state for a waiting thread.
     * A thread is in the waiting state due to calling one of the
     * following methods:
     * <ul>
     *   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>
     *   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>
     *   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>
     * </ul>
     *
     * <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to
     * perform a particular action.
     *
     * For example, a thread that has called {@code Object.wait()}
     * on an object is waiting for another thread to call
     * {@code Object.notify()} or {@code Object.notifyAll()} on
     * that object. A thread that has called {@code Thread.join()}
     * is waiting for a specified thread to terminate.
     */
    WAITING,

    /**
     * Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
     * A thread is in the timed waiting state due to calling one of
     * the following methods with a specified positive waiting time:
     * <ul>
     *   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>
     *   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>
     *   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>
     *   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>
     *   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>
     * </ul>
     */
    TIMED_WAITING,

    /**
     * Thread state for a terminated thread.
     * The thread has completed execution.
     */
    TERMINATED;
}

1.4.2 线程状态之间是如何转换的

• 创建线程对象是新建状态
• 调用了 start 方法后转变为可执行状态
• 线程获取到了 CPU 的执行权，且执行结束，是终止状态
• 在可执行状态的过程中，如果没有获取 CPU 的执行权，可能会切换其他状态
  • 如果没有获取锁（synchronized 或 lock ）进入阻塞状态，获得锁再切换为可执行状态
  • 如果线程调用了wait 方法进入等待状态，其他线程调用 notify 方法唤醒线程后可切换为可执行状态
  • 如果线程调用了 sleep 方法，进入计时等待状态，到时间后可切换为可执行状态

1.5 新建三个线程，如何保证它们按照顺序执行

要保证新建的三个线程按照顺序执行，可以使用线程中的 join 方法，以下是一个示例

public class JoinTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建线程对象
        Thread t1 = new Thread(() -> System.out.println("t1"));

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                t1.join(); // 加入线程t1,只有t1线程执行完毕以后，再次执行该线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("t2");
        });

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            try {
                t2.join(); // 加入线程t2,只有t2线程执行完毕以后，再次执行该线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("t3");
        });

        // 启动线程
        t3.start();
        t2.start();
        t1.start();
    }

}

1.6 notify 方法和 notifyAll 方法有什么区别

• notifyAIL 方法：唤醒所有处于 WAITING 状态的线程
• notify 方法：随机唤醒一个处于 WAITING 状态的线程

1.7 wait 方法和 sleep 方法的区别

1.7.1 共同点

wait()、wait(long) 和 sleep(long) 方法的效果都是让当前线程暂时放弃 CPU 的使用权，进入阻塞状态

1.7.2 不同点

方法归属不同：

• sleep(long)是 Thread 的静态方法
• 而 wait()、wait(long) 都是 Object 类的方法，每个对象都有

---

醒来时机不同：

• 执行 sleep(long) 和 wait(long) 方法的线程都会在等待相应毫秒后醒来，wait(long) 和 wait() 可以被 notify 唤醒，wait() 如果不唤醒就会一直等下去
• 它们都可以被打断唤醒

---

锁特性不同（重点）：

• wait 方法的调用必须先获取 wait 对象的锁，而 sleep 则无此限制
• wait 方法执行后会释放对象锁，允许其它线程获得该对象锁（放弃 CPU 的执行权，但其它线程可以用）
• sleep 如果在 synchronized 代码块中执行，并不会释放对象锁（放弃 CPU 的执行权，但其它线程也用不了）

1.8 如何停止一个正在运行的线程

有三种方式可以停止线程：

1. 使用退出标志，使线程正常退出，也就是当 run 方法完成后线程终止
2. 使用 stop 方法强行终止（不推荐，方法已废用）
3. 使用 interrupt 方法中断线程
   1. 打断阻塞的线程（sleep、wait、join），线程会抛出 InterruptedException 异常
   2. 打断正常的线程，可以根据打断状态来标记是否退出线程

---

使用退出标志的示例

public class InterruptDemo01 extends Thread {

    volatile boolean flag = false; // 线程执行的退出标记

    @Override
    public void run() {
        while (!flag) {
            System.out.println("MyThread...run...");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建MyThread对象
        InterruptDemo01 t1 = new InterruptDemo01();
        t1.start();

        // 主线程休眠6秒
        Thread.sleep(6000);

        // 更改标记为true
        t1.flag = true;
    }

}

使用 stop 方法的示例

public class InterruptDemo02 extends Thread {

    volatile boolean flag = false; // 线程执行的退出标记

    @Override
    public void run() {
        while (!flag) {
            System.out.println("MyThread...run...");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建MyThread对象
        InterruptDemo02 t1 = new InterruptDemo02();
        t1.start();

        // 主线程休眠6秒
        Thread.sleep(6000);

        // 调用stop方法
        t1.stop();
    }

}

使用 interrupt 方法的示例

public class InterruptDemo03 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1.打断阻塞的线程
        // Thread t1 = new Thread(() -> {
        //     System.out.println("t1 正在运行...");
        //     try {
        //         Thread.sleep(5000);
        //     } catch (InterruptedException e) {
        //         e.printStackTrace();
        //     }
        // }, "t1");
        // t1.start();
        // Thread.sleep(500);
        // t1.interrupt();
        // System.out.println(t1.isInterrupted());

        // 2.打断正常的线程
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
                boolean interrupted = current.isInterrupted();
                if (interrupted) {
                    System.out.println("打断状态：" + interrupted);
                    break;
                }
            }
        }, "t2");
        t2.start();
        Thread.sleep(500);
        t2.interrupt();
    }

}

2. 线程安全

2.1 synchronized 关键字的底层原理

我们先来回忆一下 synchronized 关键字的基本使用场景------卖票

public class TicketDemo {

    private static final Object lock = new Object();

    private int ticketNum = 10;

    public synchronized void getTicket() {
        synchronized (lock) {
            if (ticketNum <= 0) {
                return;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到一张票,剩余:" + ticketNum);
            // 非原子性操作
            ticketNum--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TicketDemo ticketDemo = new TicketDemo();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(ticketDemo::getTicket).start();
        }
    }

}

synchronized【对象锁】采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就进入阻塞状态

---

在了解 synchronized 关键字的底层原理前，我们需要先了解一下 Monitor

Monitor 被翻译为监视器，由 JVM 提供，C++ 语言实现，Monitor 的大致结构如下

下面来看一个使用 synchronized 关键字的例子

• Owner：存储当前获取锁的线程的，只能有一个线程可以获取
• EntryList：关联没有抢到锁的线程，处于 Blocked 状态的线程
• WaitSet：关联调用了 wait 方法的线程，处于 WAITING 状态的线程

注意：EntryList 中的线程并不是按照先来后到的顺序获取 Owner 的，谁抢到了 Owner ，谁就拿到了锁

总结：

• synchronized【对象锁】采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】
• synchronized 的底层由 Monitor 实现的，Monitor 是 JVM 级别的对象（由C++实现），线程获得锁需要使用对象（锁）关联 Monitor
• 在 Monitor 内部有三个属性，分别是 Owner、EntryList、WaitSet
  • Owner 关联的是获得锁的线程，并且只能关联一个线程
  • Entrylist 关联的是处于阻塞状态的线程
  • Waitset 关联的是处于 WAITING 状态的线程

2.2 synchronized 关键字的底层原理-进阶

面试官可能会问：Monitor 实现的锁属于重量级锁，你了解过锁升级吗

利用 Monitor 实现的锁属于重量级锁，里面涉及到了用户态和内核态的切换、进程的上下文切换，成本较高，性能比较低

该部分的内容比较难懂，可观看视频：synchronized 关键字的底层原理-进阶

2.3 Java 的内存模型

JMM：Java Memory Model，Java内存模型，定义了共享内存中多线程程序读写操作的规则，通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令的正确性

总结：

• JMM（Java Memory Model），Java内存模型，定义了共享内存中多线程程序读写操作的规则，通过这些规则来规范对内存的读写操作从而保证指令的正确性
• JMM 把内存分为两块，一块是私有线程的工作区域（工作内存），一块是所有线程的共享区域（主内存）
• 线程跟线程之间是相互隔离，线程跟线程之间交互需要通过主内存

2.4 CAS

CAS：Compare And Swap（先比较再交换），它体现的一种乐观锁的思想，在无锁情况下保证线程操作共享数据的原子性，很多框架的底层都采用了 CAS 的思想

JUC（java.util.concurrent）包下也有很多类都用到了 CAS 操作

• AbstractQueuedSynchronizer（AQS框架）
• AtomicXXX 类

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下面是 CAS 的一个示例

一个当前内存值 V、旧的预期值 A、即将更新的值 B，当且仅当旧的预期值 A 和内存值 V 相同时，将内存值修改为 B 并返回 true，否则什么都不做，并返回 false

如果 CAS 操作失败，通过自旋的方式等待并再次尝试，直到成功

那什么是自旋呢，自旋可以理解为一个死循环

因为自旋没有加锁，所以线程不会陷入阻塞，效率较高。如果竞争激烈，重试频繁发生，效率会受影响

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CAS 底层依赖于 Unsafe 类，利用 Unsafe 类直接调用操作系统底层的 CAS 指令，以下是 Unsafe 类的部分源码

JUC 包下的 ReentrantLock 类也采用了 CAS 思想，以下是 ReentrantLock 类中的 compareAndSetState 方法的源码（其中 U 是一个 Unsafe 类的实例）

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• CAS 是基于乐观锁的思想：乐观地估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算其它线程改了也没关系，吃亏点再重试
• synchronized 是基于悲观锁的思想：悲观地估计，得防着其它线程来修改共享变量，上了锁之后其它线程都无法修改，修改完后解开锁，其它线程才有机会修改

2.5 volatile 关键字

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被 volatile 关键字修饰之后，那么就具备了两层语义：

• 保证共享变量在线程间的可见性
• 禁止进行指令重排序

2.5.1 保证共享变量在线程间的可见性

用 volatile 修饰共享变量，能够防止编译器等优化发生，让一个线程对共享变量的修改对另一个线程可见

我们来看以下代码

public class ForeverLoop {

    static boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            stop = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：modify stop to true...");
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + stop);
        }, "t2").start();

        new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stop) {
                i++;
            }
            System.out.println("stopped... c:" + i);
        }, "t3").start();
    }

}

大家猜一下，线程 t3 中的死循环会停止吗，我们来看一下控制台的输出

可以看到，线程 t3 中的死循环不会停止（而且 Java 程序也没有结束运行）

为什么线程 t3 中的死循环不会停止呢，明明线程 t1 成功修改了 stop 变量，而且线程 t2 也成功打印了 stop 变量修改后的值

其实是因为 JVM 虚拟机中的 JIT（Just-In-Time，即时编译器）对代码做了优化，优化后的代码大概如下

有两种解决方案：

1. 在程序运行的时候添加 VM 参数 -Xint ，禁用即时编译器，但是不推荐，因为其它代码需要使用 JIT
2. 在修饰变量的时候加上 volatile 关键字，告诉 JIT 不要对 volatile 修饰的变量做优化

2.5.2 禁止指令重排序

该部分内容晦涩难懂，请观看视频：禁止指令重排序

用 volatile 修饰的共享变量会在读、写共享变量时加入不同的屏障，阻止其他读写操作越过屏障，从而达到阻止重排序的效果

volatile使用技巧：

• 写变量时让 volatile 修饰的变量的在代码最后位置
• 读变量时让 volatile 修饰的变量的在代码最开始位置

2.6 AQS

AQS：AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器，是构建锁或者其他同步组件的基础框架

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2.6.1 AQS 与 synchronized 的区别

synchronized	AQS
关键字，由 C++ 语言实现	由 Java 语言实现
悲观锁，能够自动释放锁	悲观锁，需要手动开启和关闭
锁竞争激烈都是重量级锁，性能差	锁竞争激烈的情况下，提供了多种解决方案

2.6.2 AQS 的常见实现类

• ReentrantLock：阻塞式锁
• Semaphore：信号量
• CountDownLatch：倒计时锁

2.6.3 AQS 的基本工作机制

AQS 内部维护了一个先进先出的双向队列，队列中存储的是排队的线程

如果多个线程共同去抢 state 资源，如何保证原子性呢？其实也是采用了 CAS 的思想，某个线程一抢到 state 资源就将 state 的值设置为 1

面试官可能此时又会问了，AQS 是公平锁还是非公平锁？其实 AQS 可以实现公平锁，也可以实现非公平锁，AQS 的不同实现类有不同的方案

那什么是公平锁和非公平锁呢，我们来看一个例子

线程 0 目前拿到了锁，当线程 0 刚好释放锁的时候，另一个线程 5 刚好也来了

• 如果新来的线程 5 跟等待队列中的线程争夺锁，就是非公平锁
• 如果新来的线程 5 加入等待队列中，成为等待队列的最后一个元素，就是非公平锁

2.7 ReentrantLock 的底层实现原理

在这里插入图片描述

ReentrantLock 翻译过来是可重入锁，相对于 synchronized ，它具备以下特点：

• 可中断
• 可以设置超时时间
• 可以设置公平锁
• 支持多个条件变量
• 与 synchronized 一样，都支持重入

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ReentrantLock 的基本使用方法

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ReentrantLock 主要利用 CAS + AQS 队列来实现，支持公平锁和非公平锁，ReentrantLock 的构造方法接受一个可选的公平参数，默认非公平锁，我们可以查看 ReentrantLock 类的源码（其中 sync 是 Sync 类的实例，Sync 类继承自 AbstractQueuedSynchronizer 类）

当设置为true时，表示公平锁，否则为非公平锁，公平锁的效率往往没有非公平锁的效率高，在许多线程访问的情况下，公平锁表现出较低的吞吐量

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ReentrantLock 的实现原理

• 线程来抢锁后使用 CAS 的方式修改 state 状态，修改成功则让 exclusiveOwnerThread 属性指向当前线程，获取锁成功
• 假如修改状态失败，则会进入双向队列中等待，head 指向双向队列头部，tail 指向双向队列尾部
• 当 exclusiveOwnerThread 为 null 的时候，则会唤醒在双向队列中等待的线程
• 公平锁则体现在按照先后顺序获取锁，非公平体现在不在排队的线程也可以抢锁

2.8 synchronized 和 Lock 有什么区别

2.8.1 语法层面

• synchronized 是关键字，源码在 JVM 中，由 C++ 语言实现
• Lock 是接口，源码由 JDK 提供，由 Java 语言实现
• 使用 synchronized 时，退出同步代码块锁会自动释放，而使用 Lock 时，需要手动调用 unlock 方法释放锁

2.8.2 功能层面

• 二者均属于悲观锁、都具备基本的互斥、同步、锁重入功能
• Lock 提供了许多 synchronized 不具备的功能，例如公平锁、可打断、可超时、多条件变量
• Lock 有适合不同场景的实现类，如 ReentrantLock， ReentrantReadWriteLock（读写锁）

注意：使用 lock 方法的锁不是一个可打断的锁，如果想使用可打断的锁，需要使用 lockInterruptibly 方法

2.8.3 性能层面

• 在没有竞争时，synchronized 做了很多优化，如偏向锁、轻量级锁，性能算差
• 在竞争激烈时，Lock类 的实现通常会提供更好的性能

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以下是一个示例

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockTest {

    // 创建锁对象
    static final ReentrantLock REENTRANT_LOCK = new ReentrantLock();

    static Condition firstCondition = REENTRANT_LOCK.newCondition();

    static Condition secondCondition = REENTRANT_LOCK.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 可打断
        lockInterrupt();

        // 可超时
        // timeOutLock();

        // 多条件变量
        // conditionTest();
    }

    /**
     * 多条件变量
     */
    public static void conditionTest() {
        new Thread(() -> {
            REENTRANT_LOCK.lock();
            try {
                firstCondition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            REENTRANT_LOCK.lock();
            try {
                firstCondition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t2").start();

        new Thread(() -> {
            REENTRANT_LOCK.lock();
            try {
                // 唤醒firstCondition条件的线程
                firstCondition.signalAll();
                // 唤醒secondCondition条件的线程
                // secondCondition.signal();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t3").start();
    }

    /**
     * 锁超时
     *
     * @throws InterruptedException interruptedException
     */
    public static void timeOutLock() throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            // 尝试获取锁，如果获取锁成功，返回true，否则返回false
            try {
                if (!REENTRANT_LOCK.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("t1-获取锁失败");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                System.out.println("t1线程-获得了锁");
            } finally {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t1");

        REENTRANT_LOCK.lock();
        System.out.println("主线程获得了锁");
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } finally {
            REENTRANT_LOCK.unlock();
        }
    }

    /**
     * 可打断
     *
     * @throws InterruptedException interruptedException
     */
    public static void lockInterrupt() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                // 开启可中断的锁
                REENTRANT_LOCK.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                System.out.println("等待的过程中被打断");
                return;
            }
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",获得了锁");
            } finally {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t1");
        REENTRANT_LOCK.lock();
        System.out.println("主线程获得了锁");
        t1.start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
            t1.interrupt();
            System.out.println("执行打断");
        } finally {
            REENTRANT_LOCK.unlock();
        }
    }

}

2.9 死锁产生的条件及排查方案

一个线程需要同时获取多把锁，就容易发生死锁，我们运行以下示例代码

package cn.edu.scau.deadlock;


import static java.lang.Thread.sleep;

public class Deadlock {

    public static void main(String[] args) {

        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock A");
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (B) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock B");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-操作...");
                }
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock B");
                try {
                    sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (A) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock A");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-操作...");
                }
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }

}

可以发现，程序并没有结束，线程 t1 持有 A 的锁等待获取 B 锁，线程 t2 持有 B 的锁等待获取 A 的锁，这种现象就是死锁现象

那么该如何进行死锁诊断呢，当程序出现了死锁现象，我们可以使用 JDK 自带的工具：jps 和 jstack

• jps：输出 JVM 中运行的进程状态信息
• jstack：查看 Java 进程内线程的堆栈信息

更方便的排查方案是利用 jconsole ，以下是利用 jconsole 查看死锁情况的页面

具体的诊断方案可以参考我的另一篇博文：Java面试篇（JVM相关专题） 的 8.3 JVM 调优的工具 章节

2.10 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是一种线程安全的高效 Map 集合

底层数据结构：

• JDK1.7 底层采用分段的数组 + 链表实现
• JDK1.8 采用的数据结构跟 HashMap 1.8 的结构一样，数组 + 链表 / 红黑二叉树

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JDK1.7 中的 ConcurrentHashMap

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JDK1.8 中的 ConcurrentHashMap

在 JDK 1.8 中，放弃了 Segment 的臃肿设计，ConcurrentHashMap 数据结构跟 HashMap 的数据结构是一样的：数组 + 红黑树 + 链表，采用 CAS + Synchronized 来保证并发安全进行实现

• CAS 控制数组节点的添加
• synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，只要 hash 不冲突，就不会产生并发的问题，效率得到提升

2.11 导致并发程序出现问题的根本原因

Java 并发编程的三大特性：

1. 原子性
2. 可见性
3. 有序性

2.11.1 原子性

一个线程在 CPU 中的操作不可暂停，也不可中断，要么执行完成，要么不执行

2.11.2 可见性

让一个线程对共享变量的修改对另一个线程可见

2.11.3 有序性

指令重排：处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序与代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的

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阅读完本文后可学习下一个篇章：Java面试篇（线程池相关专题）