漫谈面试系列

前言

在上一章节，我们了解到了多线程的一些基础知识点——多线程的实现、CAS 是什么以及 AQS 的工作流程，接下来，在这章节中，我会通过有关于应用性的多线程面试题的内容，来给大家介绍相关的多线程知识点。

下面我们通过 2 道常问的面试题进行相关知识点的学习：

  1. BlockingQueue(阻塞队列)原理是什么？手写阻塞队列的 take 和 put 方法
  2. 如何定义线程池初始化参数？使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？

这里面谈到的阻塞队列和 AQS 的阻塞队列不是同一个东西，该文章谈到的阻塞队列全都是关乎于BlockingQueue接口

1. BlockingQueue 原理是什么？手写阻塞队列的 take 和 put 方法

阻塞队列，从字面意义上看，就是一个带阻塞功能的队列，那么它会在什么时候出现阻塞呢？

如果队列为空，那么想要队列出队即执行 take() 方法的线程会被阻塞。

如果队列已满，那么想要队列入队即执行 put() 方法的线程会被阻塞。

在上一个章节我们了解到了 AQS 以及它的一个实现类 ReentrantLock，而在 Java 的阻塞队列当中，则是借助了 ReentrantLock 类实现了阻塞的功能，除此之外，为了实现锁的细腻度，还额外使用了另一个接口—— Condition。

在介绍阻塞队列之前，我们先来了解下 AQS 中的 Conditon 接口。传统多线程方式当中，我们通常会使用 synchronized 关键字配合 Object 类的 wait()/notifyAll() 方法实现多线程的协同工作，相同的，为了配合 AQS ，AQS 自身通过内部类实现 Condition 接口来完成多线程的协同。

上文提到了一个锁的细腻度，可能有的人无法理解这个锁的细腻度是什么，那么接下来我便简单举一个例子。

假如我们使用 synchronized 关键字配合 Object 类的 wait()/notifyAll() 来实现一个生产者和消费者模式的时候，由于你无法指定唤醒哪一类线程，因此只能使用 notifyAll() 方法将生产者和消费者等待的线程都唤醒，这样的坏处便是无需被唤醒的线程被唤醒了，导致了性能的浪费。而所谓的细腻度，便是针对性的唤醒线程，每次唤醒都不会导致性能的浪费，例如我生产者只能唤醒消费者，而消费者也只能唤醒生产者，这样便不会出现无关线程被唤醒又重新进入阻塞的问题。

Condition 类就是生成了一个与阻塞队列隔离的条件队列，每个 Condition 对象都相当于是一个队列，里面由多个 Node 元素以单向链表的形式组合而成，每个队列元素出队后都会加入到阻塞队列的队尾，我们通过一张图来简单了解下 Condition：

Condition

可以看出，条件队列也是有序的，即在条件队列中阻塞的线程如果没有被中断，都会根据队列的顺序进行有序的唤醒出队，即每次唤醒的都是在队列中等待最久的线程。

有个注意点，Condition 对象的 await()/signal() 方法必须要线程获取到锁只能才会正常执行，否则会抛出异常，即在没有获取锁的环境调用这些方法，便会抛出 IllegalMonitorStateException 异常，这个和 Object 对象的 wait()/notify() 方法一样。

接下来我简单描述下 Condtion 条件队列的入队 await() / 出队 signal() 执行流程。

await() 方法：

将当前线程包装为一个 waitStatus 字段为 CONDITION(-2) 的 node 对象并加入到条件队列尾部。

记录当前锁的 state 字段值，并将当前锁的状态值改为 0 (重入锁也一样改为0)。

通过 LockSupport.park() 方法进入阻塞。

signal() 方法

断开与条件队列的关系，即将当前 node 对象的 nextWaiter 指针字段设置为 null。

通过 CAS 将当前 node 对象的 waitStatus 字段设置为 0，并将设置好的节点通过自旋 CAS 加入到阻塞队列的队尾

将当前 node 对象的前驱节点的 waitStatus 字段设置为 SIGNAL(-1)，代表当前节点需要这个节点进行唤醒；如果这个前驱节点处于取消状态，那么直接唤醒当前 node 对象的线程，让其去竞争锁，相当于一个新的线程进入 AQS 一样，接下来的步骤读者可以参考上一篇 AQS 的运行流程。

了解完 AQS(ReentrantLock)/Conditon 的内容，接下来再看阻塞队列就很简单了，其实阻塞队列的原理就是：Lock 配合多个 Condtion 进行阻塞控制，配合多个 Conodtion 只是为了针对性唤醒来减少性能的损耗。开发者不需要担心什么时候需要阻塞队列，只需要往队列存入/取出数据即可，因为一切有关阻塞的功能都在内部进行实现。

接下来，我通过一个简单的例子来实现阻塞队列的 take()/put(E e) 方法。

public class BlockQueue<E>{
        //一个 Lock 对应多个 Condition
        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition producer = lock.newCondition();
        Condition consumer = lock.newCondition();
        //有界队列，即队列有容量限制
        int size;
        //这里通过一个List存储队列元素
        List<E> queue;
        public BlockQueue(int size){
            this.size = size;
            queue = new ArrayList<>(size);
        }
        public void put(E e) throws InterruptedException {
            try {
                lock.lock();
                //如果容量已满，对生产者线程进行阻塞
                while(size == queue.size()){
                    producer.await();
                }
                queue.add(e);
                //有新的商品生产了，可以唤醒被阻塞的消费者进行消费
                consumer.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        public E take() throws InterruptedException {
            try{
                lock.lock();
                //没有商品便阻塞消费者
                while (queue.size() == 0){
                    consumer.await();
                }
                E e = queue.get(0);
                queue.remove(0);
                //商品被消费了一个，可以唤醒生产者继续生产
                producer.signal();
                return e;
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            BlockQueue<Object> queue = new BlockQueue<>(2);
            Thread producer = new Thread(()->{
                while (true){
                    try {
                        queue.put(new Object());
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产了一个商品");
                    } catch (InterruptedException e) {}
                }
            });
            producer.setName("producer");
            Thread consumer = new Thread(()->{
                while (true){
                    try {
                        Object take = queue.take();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消费了一个商品");
                        //每1秒才会有一个商品被消费
                        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
                    } catch (InterruptedException e) {}
                }
            });
            consumer.setName("consumer");
            producer.start();
            consumer.start();
        }
    }

从上面代码可以看出，阻塞队列的核心就在如何正确的使用 Lock 和 Condition，当然，Java 提供的阻塞队列的功能还不仅仅如此，但由于篇幅原因，这里不在阐述过多内容，有兴趣的读者可以自行查阅相关资料。

2. 如何定义线程池初始化参数？使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？

在了解如何定义初始化参数前，我们通过一个图来了解 jdk5 提供的线程池的构造参数：

线程池参数

从上图可以看出，线程池的构造参数分为三大类，分别是线程相关、时间相关、任务相关，下面我们主要根据线程相关以及任务相关进行分析：

线程相关我们只需要根据业务的类型进行最大线程数的设值
任务相关首先是禁止使用无界阻塞队列，其次便是根据业务实现自定义的拒绝策略，例如任务允许丢失，则可以通过日志简单记录该任务然后丢弃，如果任务不允许丢失，可以考虑新建线程去处理（如果服务器性能够强大），或者记录详细的任务信息，等线程池空闲的时候在进行处理。

了解完构造参数的定义规则，接下来我们来看看为什么线程池禁止使用无界队列。
回到问题，该问题的答案便是存在使用无界队列会导致内存飙升的场景，至于为什么，这个便涉及到线程池的执行过程，因此下面我们通过了解线程池的执行过程来详细解答这个问题。

线程池执行流程

首先将任务给常驻线程处理
如果常驻线程来不及处理，则将任务放入阻塞队列
如果阻塞队列满了并且线程数量少于maximumPoolSize，则将线程数扩展至maximumPoolSize
如果仍然处理不完，阻塞队列满了，则进行拒绝策略。
如果任务被快速处理完，除常驻线程外的其他线程，在经过keepAliveTime(unit)时间后自动销毁

从线程池执行流程的第三步可以看出，创建非常驻线程的前提是阻塞队列已满，但是对于无界队列来说（上限为Integer.MAX_VALUE），几乎不可能出现阻塞队列满的情况，如果常驻线程无法快速执行任务，任务便会一直往队列中添加积累，最终导致内存飙升的问题。

总结

在多线程方面，首先我们得先了解多线程的实现，实现完多线程后便考虑如何管理多线程的竞争，多线程的竞争可以用到基于 CAS 和 AQS 实现的锁和阻塞队列，最后通过线程池来进行任务分配和线程的回收利用，如果读者在看这两章节内容时理不清楚顺序的话，可以基于这段总结在回看一次。

接下来，我们回到上面的两个问题

  1. BlockingQueue(阻塞队列)原理是什么？手写阻塞队列的 take 和 put 方法
  2. 如何定义线程池初始化参数？使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？

如果你们可以很流畅的回答这些问题，那么恭喜你，该章节的内容已经全部掌握，如果不行，希望可以回到对应问题讲解的地方，或者对某个不了解的点进行额外的知识搜索，尽量用自己组织的语言回答这些问题。

五、通勤路上搞定 Java 多线程面试（2）

五、通勤路上搞定 Java 多线程面试（2）

前言

1. BlockingQueue 原理是什么？手写阻塞队列的 take 和 put 方法

2. 如何定义线程池初始化参数？使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？

总结