七、多线程

1.并行和并发有什么区别？

并发：是指多个线程任务在同一个CPU上快速地轮换执行，由于切换的速度非常快，给人的感觉就是这些线程任务是在同时进行的，但其实并发只是一种逻辑上的同时进行；
并行：是指多个线程任务在不同CPU上同时进行，是真正意义上的同时执行。

2.线程和进程的区别？

1、定义
进程：是执行中一段程序，即一旦程序被载入到内存中并准备执行，它就是一个进程。进程是表示资源分配的的基本概念，又是调度运行的基本单位，是系统中的并发执行的单位。
线程：单个进程中执行中每个任务就是一个线程。线程是进程中执行运算的最小单位。
2、一个线程只能属于一个进程，但是一个进程可以拥有多个线程。多线程处理就是允许一个进程中在同一时刻执行多个任务。
3、线程是一种轻量级的进程，与进程相比，线程给操作系统带来侧创建、维护、和管理的负担要轻，意味着线程的代价或开销比较小。

3.什么是守护线程？

守护线程（即daemon thread），是个服务线程，准确地来说就是服务其他的线程，这是它的作用——而其他的线程只有一种，那就是用户线程。所以java里线程分2种，
1、守护线程，比如垃圾回收线程，就是最典型的守护线程。
2、用户线程，就是应用程序里的自定义线程。

4.java创建线程有哪几种方式？

• 三种方式
  1、继承Thread类创建线程类
  2、通过Runnable接口创建线程类
  3、通过Callable和Future创建线程
• 区别对比
  1、采用实现Runnable、Callable接口的方式创建多线程时，
  优势是：
  线程类只是实现了Runnable接口或Callable接口，还可以继承其他类。
  在这种方式下，多个线程可以共享同一个target对象，所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况，从而可以将CPU、代码和数据分开，形成清晰的模型，较好地体现了面向对象的思想。
  劣势是：
  编程稍微复杂，如果要访问当前线程，则必须使用Thread.currentThread()方法。
  2、使用继承Thread类的方式创建多线程时，
  优势是：
  编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用Thread.currentThread()方法，直接使用this即可获得当前线程。
  劣势是：
  线程类已经继承了Thread类，所以不能再继承其他父类。
  3、Runnable和Callable的区别
  (1) Callable规定（重写）的方法是call()，Runnable规定（重写）的方法是run()。
  (2) Callable的任务执行后可返回值，而Runnable的任务是不能返回值的。
  (3) call方法可以抛出异常，run方法不可以。
  (4) 运行Callable任务可以拿到一个Future对象，表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并检索计算的结果。通过Future对象可以了解任务执行情况，可取消任务的执行，还可获取执行结果。

5.线程有哪些状态？

5种状态。新建、就绪、运行、阻塞、死亡。

线程状态.png

1. 线程 start 方法执行后，并不表示该线程运行了，而是进入就绪状态，意思是随时准备运行，但是真正何时运行，是由操作系统决定的，代码并不能控制，
2. 同样的，从运行状态的线程，也可能由于失去了 CPU 资源，回到就绪状态，也是由操作系统决定的。这一步中，也可以由程序主动失去 CPU 资源，只需调用 yield 方法。
3. 线程运行完毕，或者运行了一半异常了，或者主动调用线程的 stop 方法，那么就进入死亡。死亡的线程不可逆转。
4. 下面几个行为，会引起线程阻塞。
   主动调用 sleep 方法。时间到了会进入就绪状态
   主动调用 suspend 方法。主动调用 resume 方法，会进入就绪状态
   调用了阻塞式 IO 方法。调用完成后，会进入就绪状态。
   试图获取锁。成功的获取锁之后，会进入就绪状态。
   线程在等待某个通知。其它线程发出通知后，会进入就绪状态

6.sleep() 和 wait() 有什么区别？

1、这两个方法来自不同的类分别是Thread和Object，sleep方法属于Thread类中的静态方法，wait属于Object的成员方法。
2、sleep()是线程类（Thread）的方法，不涉及线程通信，调用时会暂停此线程指定的时间，但监控依然保持，不会释放对象锁，到时间自动恢复；wait()是Object的方法，用于线程间的通信，调用时会放弃对象锁，进入等待队列，待调用notify()/notifyAll()唤醒指定的线程或者所有线程，才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。
3、wait，notify和notifyAll只能在同步控制方法或者同步控制块里面使用，而sleep可以在任何地方使用（使用范围）。
4、sleep()方法必须捕获异常InterruptedException，而wait()\notify()以及notifyAll()不需要捕获异常。

7.notify()和 notifyAll()有什么区别？

先说两个概念：锁池和等待池
锁池:假设线程A已经拥有了某个对象(注意:不是类)的锁，而其它的线程想要调用这个对象的某个synchronized方法(或者synchronized块)，由于这些线程在进入对象的synchronized方法之前必须先获得该对象的锁的拥有权，但是该对象的锁目前正被线程A拥有，所以这些线程就进入了该对象的锁池中。
等待池:假设一个线程A调用了某个对象的wait()方法，线程A就会释放该对象的锁后，进入到了该对象的等待池中

• 如果线程调用了对象的 wait()方法，那么线程便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。
• 当有线程调用了对象的 notifyAll()方法（唤醒所有 wait 线程）或 notify()方法（只随机唤醒一个 wait 线程），被唤醒的的线程便会进入该对象的锁池中，锁池中的线程会去竞争该对象锁。也就是说，调用了notify后只要一个线程会由等待池进入锁池，而notifyAll会将该对象等待池内的所有线程移动到锁池中，等待锁竞争
• 优先级高的线程竞争到对象锁的概率大，假若某线程没有竞争到该对象锁，它还会留在锁池中，唯有线程再次调用 wait()方法，它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行，直到执行完了 synchronized 代码块，它会释放掉该对象锁，这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁。

8.线程的 run()和 start()有什么区别？

1.调用 start() 方法是用来启动线程的，轮到该线程执行时，会自动调用 run()；直接调用 run() 方法，无法达到启动多线程的目的，相当于主线程线性执行 Thread 对象的 run() 方法。
2.一个线程对线程的 start() 方法只能调用一次，多次调用会抛出 java.lang.IllegalThreadStateException 异常；run() 方法没有限制。

9.创建线程池有哪几种方式？

1.Executors.newFixedThreadPool：创建一个固定大小的线程池，可控制并发的线程数，超出的线程会在队列中等待；
2.Executors.newCachedThreadPool：创建一个可缓存的线程池，若线程数超过处理所需，缓存一段时间后会回收，若线程数不够，则新建线程；
3.Executors.newSingleThreadExecutor：创建单个线程数的线程池，它可以保证先进先出的执行顺序；
4.Executors.newScheduledThreadPool：创建一个可以执行延迟任务的线程池；
5.Executors.newSingleThreadScheduledExecutor：创建一个单线程的可以执行延迟任务的线程池；
6.Executors.newWorkStealingPool：创建一个抢占式执行的线程池（任务执行顺序不确定）【JDK 1.8 添加】。
7.ThreadPoolExecutor：最原始的创建线程池的方式，它包含了 7 个参数可供设置，后面会详细讲。

线程池不允许使用 Executors 去创建，而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式。Executors 返回的线程池对象的弊端如下：
1） FixedThreadPool 和 SingleThreadPool：允许的请求队列长度为 Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致 OOM。
2）CachedThreadPool：允许的创建线程数量为 Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致 OOM。

ThreadPoolExecutor 参数：
参数 1：corePoolSize
核心线程数，线程池中始终存活的线程数。
参数 2：maximumPoolSize
最大线程数，线程池中允许的最大线程数，当线程池的任务队列满了之后可以创建的最大线程数。
参数 3：keepAliveTime
最大线程数可以存活的时间，当线程中没有任务执行时，最大线程就会销毁一部分，最终保持核心线程数量的线程。
参数 4：unit:
单位是和参数 3 存活时间配合使用的，合在一起用于设定线程的存活时间 ，参数 keepAliveTime 的时间单位有以下 7 种可选：

• TimeUnit.DAYS：天
• TimeUnit.HOURS：小时
• TimeUnit.MINUTES：分
• TimeUnit.SECONDS：秒
• TimeUnit.MILLISECONDS：毫秒
• TimeUnit.MICROSECONDS：微妙
• TimeUnit.NANOSECONDS：纳秒
  参数 5：workQueue
  一个阻塞队列，用来存储线程池等待执行的任务，均为线程安全，它包含以下 7 种类型：
• ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
• LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，即直接提交给线程不保持它们。
• PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。
• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。与SynchronousQueue类似，还含有非阻塞方法。
• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。
  较常用的是 LinkedBlockingQueue 和 Synchronous，线程池的排队策略与 BlockingQueue有关。
  参数 6：threadFactory
  线程工厂，主要用来创建线程，默认为正常优先级、非守护线程。
  参数 7：handler
  拒绝策略，拒绝处理任务时的策略，系统提供了 4 种可选：
• AbortPolicy：拒绝并抛出异常。
• CallerRunsPolicy：使用当前调用的线程来执行此任务。
• DiscardOldestPolicy：抛弃队列头部（最旧）的一个任务，并执行当前任务。
• DiscardPolicy：忽略并抛弃当前任务。
  默认策略为 AbortPolicy。

10.线程池都有哪些状态

1.RUNNING：这是最正常的状态，接受新的任务，处理等待队列中的任务。线程池的初始化状态是RUNNING。线程池被一旦被创建，就处于RUNNING状态，并且线程池中的任务数为0。

2.SHUTDOWN：不接受新的任务提交，但是会继续处理等待队列中的任务。调用线程池的shutdown()方法时，线程池由RUNNING -> SHUTDOWN。

3.STOP：不接受新的任务提交，不再处理等待队列中的任务，中断正在执行任务的线程。调用线程池的shutdownNow()方法时，线程池由(RUNNING or SHUTDOWN ) -> STOP。

4.TIDYING：所有的任务都销毁了，workCount 为 0，线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时，会执行钩子方法 terminated()。因为terminated()在ThreadPoolExecutor类中是空的，所以用户想在线程池变为TIDYING时进行相应的处理；可以通过重载terminated()函数来实现。

当线程池在SHUTDOWN状态下，阻塞队列为空并且线程池中执行的任务也为空时，就会由 SHUTDOWN -> TIDYING。

当线程池在STOP状态下，线程池中执行的任务为空时，就会由STOP -> TIDYING。

5.TERMINATED：线程池处在TIDYING状态时，执行完terminated()之后，就会由 TIDYING -> TERMINATED。

11.线程池中 submit()和 execute()方法有什么区别？

1、接收的参数不一样。exucute只能执行实现Runnable接口的线程，submit可以执行实现Runnable接口或Callable接口的线程

2、submit有返回值，而execute没有

12.在 java 程序中怎么保证多线程的运行安全？

线程的安全性问题体现在：
原子性： 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

JDK Atomic开头的原子类、synchronized、LOCK，可以解决原子性问题
synchronized、volatile、LOCK，可以解决可见性问题
Happens-Before 规则可以解决有序性问题

13.多线程锁的升级原理是什么？

锁的级别从低到高：
无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

锁分级别原因：
没有优化以前，synchronized是重量级锁（悲观锁），使用 wait 和 notify、notifyAll 来切换线程状态非常消耗系统资源；线程的挂起和唤醒间隔很短暂，这样很浪费资源，影响性能。所以 JVM 对 synchronized 关键字进行了优化，把锁分为 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁 状态。

无锁：没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功，其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。
偏向锁：对象的代码一直被同一线程执行，不存在多个线程竞争，该线程在后续的执行中自动获取锁，降低获取锁带来的性能开销。偏向锁，指的就是偏向第一个加锁线程，该线程是不会主动释放偏向锁的，只有当其他线程尝试竞争偏向锁才会被释放。
偏向锁的撤销，需要在某个时间点上没有字节码正在执行时，先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，并撤销偏向锁；
如果线程处于活动状态，升级为轻量级锁的状态。
轻量级锁：轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被第二个线程 B 所访问，此时偏向锁就会升级为轻量级锁，线程 B 会通过自旋的形式尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提高性能。当前只有一个等待线程，则该线程将通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数时，轻量级锁便会升级为重量级锁；当一个线程已持有锁，另一个线程在自旋，而此时又有第三个线程来访时，轻量级锁也会升级为重量级锁。
重量级锁：指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，而其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态切换到内核态，切换成本非常高。

锁状态.png

14.什么是死锁？

两个以上的线程都在等待对方执行完毕才能往下执行的时候就发生了死锁。结果就是这些线程陷入了无限的等待，这就是死锁。
什么情况下会发生死锁：
1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。

2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

15.怎么防止死锁？

• 加锁顺序

Thread 1:
  lock A 
  lock B

Thread 2:
   wait for A
   lock C (when A locked)

Thread 3:
   wait for A
   wait for B
   wait for C

如果一个线程（比如线程3）需要一些锁，那么它必须按照确定的顺序获取锁。它只有获得了从顺序上排在前面的锁之后，才能获取后面的锁。

例如，线程2和线程3只有在获取了锁A之后才能尝试获取锁C(译者注：获取锁A是获取锁C的必要条件)。因为线程1已经拥有了锁A，所以线程2和3需要一直等到锁A被释放。然后在它们尝试对B或C加锁之前，必须成功地对A加了锁。

按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要你事先知道所有可能会用到的锁，但总有些时候是无法预知的。

• 加锁时限
  另外一个可以避免死锁的方法是在尝试获取锁的时候加一个超时时间，这也就意味着在尝试获取锁的过程中若超过了这个时限该线程则放弃对该锁请求。若一个线程没有在给定的时限内成功获得所有需要的锁，则会进行回退并释放所有已经获得的锁，然后等待一段随机的时间再重试。这段随机的等待时间让其它线程有机会尝试获取相同的这些锁，并且让该应用在没有获得锁的时候可以继续运行
• 死锁检测
  死锁检测是一个更好的死锁预防机制，它主要是针对那些不可能实现按序加锁并且锁超时也不可行的场景。

每当一个线程获得了锁，会在线程和锁相关的数据结构中（map、graph等等）将其记下。除此之外，每当有线程请求锁，也需要记录在这个数据结构中。

当一个线程请求锁失败时，这个线程可以遍历锁的关系图看看是否有死锁发生。例如，线程A请求锁7，但是锁7这个时候被线程B持有，这时线程A就可以检查一下线程B是否已经请求了线程A当前所持有的锁。如果线程B确实有这样的请求，那么就是发生了死锁（线程A拥有锁1，请求锁7；线程B拥有锁7，请求锁1）。

当然，死锁一般要比两个线程互相持有对方的锁这种情况要复杂的多。线程A等待线程B，线程B等待线程C，线程C等待线程D，线程D又在等待线程A。线程A为了检测死锁，它需要递进地检测所有被B请求的锁。从线程B所请求的锁开始，线程A找到了线程C，然后又找到了线程D，发现线程D请求的锁被线程A自己持有着。这是它就知道发生了死锁。

下面是一幅关于四个线程（A,B,C和D）之间锁占有和请求的关系图。像这样的数据结构就可以被用来检测死锁。

死锁检测.png

16.ThreadLocal 是什么？有哪些使用场景？

ThreadLocal 是线程本地存储，在每个线程中都创建了一个 ThreadLocalMap 对象，每个线程可以访问自己内部 ThreadLocalMap 对象内的 value。

经典的使用场景是为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection。这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作，不会出现 A 线程关了 B线程正在使用的 Connection； 还有 Session 管理 等问题。

17.说一下 synchronized 底层实现原理？

同步代码块是通过 monitorenter 和 monitorexit 指令获取线程的执行权
同步方法通过加 ACC_SYNCHRONIZED 标识实现线程的执行权的控制
monitorenter :
每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
1、如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
2、如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.
3.如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。
monitorexit：
执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。
指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

ACC_SYNCHRONIZED：
从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。 其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

18.synchronized 和 volatile 的区别是什么？

（1）volatile只能作用于变量，使用范围较小。synchronized可以用在变量、方法、类、同步代码块等，使用范围比较广。
（2）volatile只能保证可见性和有序性，不能保证原子性。而可见性、有序性、原子性synchronized都可以包证。
（3）volatile不会造成线程阻塞。synchronized可能会造成线程阻塞。

volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令，lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
（1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
（2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
（3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

19.synchronized 和 Lock 有什么区别？

1.用法不一样。synchronized既可以加在方法上，也可以加载特定的代码块上，括号中表示需要锁的对象。而Lock需要显示地指定起始位置和终止位置。synchronzied是托管给jvm执行的，Lock锁定是通过代码实现的。

2.在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

3.锁的机制不一样。synchronized获得锁和释放的方式都是在块结构中，而且是自动释放锁。而Lock则需要开发人员手动去释放，并且必须在finally块中释放，否则会引起死锁问题的发生。

4.Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现；

5.synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；

6.Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

20.synchronized 和 ReentrantLock 区别是什么？

synchronized 竞争锁时会一直等待；ReentrantLock 可以尝试获取锁，并得到获取结果
synchronized 获取锁无法设置超时；ReentrantLock 可以设置获取锁的超时时间
synchronized 无法实现公平锁；ReentrantLock 可以满足公平锁，即先等待先获取到锁
synchronized 控制等待和唤醒需要结合加锁对象的 wait() 和 notify()、notifyAll()；ReentrantLock 控制等待和唤醒需要结合 Condition 的 await() 和 signal()、signalAll() 方法
synchronized 是 JVM 层面实现的；ReentrantLock 是 JDK 代码层面实现
synchronized 在加锁代码块执行完或者出现异常，自动释放锁；ReentrantLock 不会自动释放锁，需要在 finally{} 代码块显示释放

21.说一下 atomic 的原理？

JDK Atomic开头的类，是通过 CAS 原理解决并发情况下原子性问题。

CAS 包含 3 个参数，CAS(V, E, N)。V 表示需要更新的变量，E 表示变量当前期望值，N 表示更新为的值。只有当变量 V 的值等于 E 时，变量 V 的值才会被更新为 N。如果变量 V 的值不等于 E ，说明变量 V 的值已经被更新过，当前线程什么也不做，返回更新失败。

当多个线程同时使用 CAS 更新一个变量时，只有一个线程可以更新成功，其他都失败。失败的线程不会被挂起，可以继续重试 CAS，也可以放弃操作。

CAS 操作的原子性是通过 CPU 单条指令完成而保障的。JDK 中是通过 Unsafe 类中的 API 完成的。

在并发量很高的情况，会有大量 CAS 更新失败，所以需要慎用。