面试问题
- synchronized的原理
- synchronized优化后的锁机制简单介绍一下，包括自旋锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁
- 谈谈对Synchronized关键字涉及到的类锁，方法锁，重入锁的理解
- wait、sleep的区别和notify运行过程
- synchronized关键字和Lock的区别，为什么Lock的性能好一些
- volatile原理
- synchronized 和 volatile 关键字的作用和区别
- ReentrantLock的内部实现
- 多线程的使用场景
- 什么是线程池，如何使用，为什么要使用线程池
- Java中的线程池共有几种
- 线程池的原理
- 线程池都有哪几种工作队列
- 怎么理解无界队列和有界队列
- 多线程中的安全队列一般通过什么实现
synchronized的原理
synchronized 代码块是由一对儿 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现，而 synchronized 同步方法使用了ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。
JVM 提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。
所谓锁的升级、降级，就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。
当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作，在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。
如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁（可能会先进行自旋锁升级，如果失败再尝试重量级锁升级）。
synchronized优化后的锁机制简单介绍一下，包括自旋锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁
自旋锁：
线程自旋说白了就是让cpu在做无用功，比如：可以执行几次for循环，可以执行几条空的汇编指令，目的是占着CPU不放，等待获取锁的机会。如果旋的时间过长会影响整体性能，时间过短又达不到延迟阻塞的目的。
偏向锁：
偏向锁就是一旦线程第一次获得了监视对象，之后让监视对象“偏向”这个线程，之后的多次调用则可以避免CAS操作，说白了就是置个变量，如果发现为true则无需再走各种加锁/解锁流程。
轻量级锁：
轻量级锁是由偏向所升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁竞争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁；
重量级锁：
重量锁在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具备Mutex(0|1)互斥的功能，它还负责实现了Semaphore(信号量)的功能，也就是说它至少包含一个竞争锁的队列，和一个信号阻塞队列（wait队列），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步。
谈谈对Synchronized关键字涉及到的类锁，方法锁，重入锁的理解
synchronized修饰静态方法获取的是类锁(类的字节码文件对象)。
synchronized修饰普通方法或代码块获取的是对象锁。这种机制确保了同一时刻对于每一个类实例，其所有声明为 synchronized 的成员函数中至多只有一个处于可执行状态，从而有效避免了类成员变量的访问冲突。
它俩是不冲突的，也就是说：获取了类锁的线程和获取了对象锁的线程是不冲突的！
wait、sleep的区别和notify运行过程
wait、sleep的区别：
最大的不同是在等待时 wait 会释放锁，而 sleep 一直持有锁。wait 通常被用于线程间交互，sleep 通常被用于暂停执行。
- 首先，要记住这个差别，“sleep是Thread类的方法,wait是Object类中定义的方法”。尽管这两个方法都会影响线程的执行行为，但是本质上是有区别的。
- Thread.sleep不会导致锁行为的改变，如果当前线程是拥有锁的，那么Thread.sleep不会让线程释放锁。如果能够帮助你记忆的话，可以简单认为和锁相关的方法都定义在Object类中，因此调用Thread.sleep是不会影响锁的相关行为。
- Thread.sleep和Object.wait都会暂停当前的线程，对于CPU资源来说，不管是哪种方式暂停的线程，都表示它暂时不再需要CPU的执行时间。OS会将执行时间分配给其它线程。区别是，调用wait后，需要别的线程执行notify/notifyAll才能够重新获得CPU执行时间。
线程的状态参考 Thread.State的定义。新创建的但是没有执行（还没有调用start())的线程处于“就绪”，或者说Thread.State.NEW状态。 - Thread.State.BLOCKED（阻塞）表示线程正在获取锁时，因为锁不能获取到而被迫暂停执行下面的指令，一直等到这个锁被别的线程释放。BLOCKED状态下线程，OS调度机制需要决定下一个能够获取锁的线程是哪个，这种情况下，就是产生锁的争用，无论如何这都是很耗时的操作。
notify运行过程：
当线程A（消费者）调用wait()方法后，线程A让出锁，自己进入等待状态，同时加入锁对象的等待队列。
线程B（生产者）获取锁后，调用notify方法通知锁对象的等待队列，使得线程A从等待队列进入阻塞队列。
线程A进入阻塞队列后，直至线程B释放锁后，线程A竞争得到锁继续从wait()方法后执行。
synchronized关键字和Lock的区别，为什么Lock的性能好一些
Lock（ReentrantLock）的底层实现主要是Volatile + CAS（乐观锁），而Synchronized是一种悲观锁，比较耗性能。但是在JDK1.6以后对Synchronized的锁机制进行了优化，加入了偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁，在并发量不大的情况下，性能可能优于Lock机制。所以建议一般请求并发量不大的情况下使用synchronized关键字。
volatile原理
而volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性有序性问题的方案。对于原子性，需要强调一点，也是大家容易误解的一点：对volatile变量的单次读/写操作可保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。
volatile也是互斥同步的一种实现，不过它非常的轻量级。
volatile可以防止CPU指令重排序，保证被volatile修饰的变量对所有线程都是可见的。
被volatile修饰的变量在工作内存修改后会被强制写回主内存，其他线程在使用时也会强制从主内存刷新，这样就保证了一致性。
什么是指令重排序：
- 指令重排序是指指令乱序执行，即在条件允许的情况下直接运行当前有能力立即执行的后续指令，避开为获取一条指令所需数据而造成的等待，通过乱序执行的技术提供执行效率。
- 指令重排序会在被volatile修饰的变量的赋值操作前，添加一个内存屏障，指令重排序时不能把后面的指令重排序移到内存屏障之前的位置。
synchronized 和 volatile 关键字的作用和区别
- volatile 仅能使用在变量级别；synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的。
- volatile 仅能实现变量的修改可见性，并不能保证原子性；synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性。
- volatile 不会造成线程的阻塞；synchronized 可能会造成线程的阻塞。
- volatile 标记的变量不会被编译器优化；synchronized标记的变量可以被编译器优化。
ReentrantLock的内部实现
ReentrantLock实现的前提就是AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS，是java.util.concurrent的核心，CountDownLatch、FutureTask、Semaphore、ReentrantLock等都有一个内部类是这个抽象类的子类。由于AQS是基于FIFO队列的实现，因此必然存在一个个节点，Node就是一个节点，Node有两种模式：共享模式和独占模式。ReentrantLock是基于AQS的，AQS是Java并发包中众多同步组件的构建基础，它通过一个int类型的状态变量state和一个FIFO队列来完成共享资源的获取，线程的排队等待等。AQS是个底层框架，采用模板方法模式，它定义了通用的较为复杂的逻辑骨架，比如线程的排队，阻塞，唤醒等，将这些复杂但实质通用的部分抽取出来，这些都是需要构建同步组件的使用者无需关心的，使用者仅需重写一些简单的指定的方法即可（其实就是对于共享变量state的一些简单的获取释放的操作）。AQS的子类一般只需要重写tryAcquire(int arg)和tryRelease(int arg)两个方法即可。
ReentrantLock的处理逻辑：
其内部定义了三个重要的静态内部类，Sync，NonFairSync，FairSync。Sync作为ReentrantLock中公用的同步组件，继承了AQS（要利用AQS复杂的顶层逻辑嘛，线程排队，阻塞，唤醒等等）；NonFairSync和FairSync则都继承Sync，调用Sync的公用逻辑，然后再在各自内部完成自己特定的逻辑（公平或非公平）。
NonFairSync（非公平可重入锁）：
- 先获取state值，若为0，意味着此时没有线程获取到资源，CAS将其设置为1，设置成功则代表获取到排他锁了；
- 若state大于0，肯定有线程已经抢占到资源了，此时再去判断是否就是自己抢占的，是的话，state累加，返回true，重入成功，state的值即是线程重入的次数；
- 其他情况，则获取锁失败。
FairSync（公平可重入锁）：
可以看到，公平锁的大致逻辑与非公平锁是一致的，不同的地方在于有了!hasQueuedPredecessors()这个判断逻辑，即便state为0，也不能贸然直接去获取，要先去看有没有还在排队的线程，若没有，才能尝试去获取，做后面的处理。反之，返回false，获取失败。
ReentrantLock的tryRelease()方法实现原理：
若state值为0，表示当前线程已完全释放干净，返回true，上层的AQS会意识到资源已空出。若不为0，则表示线程还占有资源，只不过将此次重入的资源的释放了而已，返回false。
ReentrantLock是一种可重入的，可实现公平性的互斥锁，它的设计基于AQS框架，可重入和公平性的实现逻辑都不难理解，每重入一次，state就加1，当然在释放的时候，也得一层一层释放。至于公平性，在尝试获取锁的时候多了一个判断：是否有比自己申请早的线程在同步队列中等待，若有，去等待；若没有，才允许去抢占。
多线程的使用场景
使用多线程就一定效率高吗？有时候使用多线程并不是为了提高效率，而是使得CPU能同时处理多个事件。
- 为了不阻塞主线程,启动其他线程来做事情,比如APP中的耗时操作都不在UI线程中做。
- 实现更快的应用程序,即主线程专门监听用户请求,子线程用来处理用户请求,以获得大的吞吐量.感觉这种情况，多线程的效率未必高。这种情况下的多线程是为了不必等待，可以并行处理多条数据。比如JavaWeb的就是主线程专门监听用户的HTTP请求，然启动子线程去处理用户的HTTP请求。
- 某种虽然优先级很低的服务，但是却要不定时去做。比如Jvm的垃圾回收。
- 某种任务，虽然耗时，但是不消耗CPU的操作时间，开启个线程，效率会有显著提高。比如读取文件，然后处理。磁盘IO是个很耗费时间，但是不耗CPU计算的工作。所以可以一个线程读取数据，一个线程处理数据。肯定比一个线程读取数据，然后处理效率高。因为两个线程的时候充分利用了CPU等待磁盘IO的空闲时间。
什么是线程池，如何使用，为什么要使用线程池
线程池就是事先将多个线程对象放到一个容器中，使用的时候就不用new线程而是直接去池中拿线程即可，节省了开辟子线程的时间，提高了代码执行效率。
Java中的线程池共有几种
Java有四种线程池：
- newCachedThreadPool
不固定线程数量，且支持最大为Integer.MAX_VALUE的线程数量。
可缓存线程池：
1、线程数无限制。 2、有空闲线程则复用空闲线程，若无空闲线程则新建线程。 3、一定程序减少频繁创建/销毁线程，减少系统开销。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
// 这个线程池corePoolSize为0，maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE
// 意思也就是说来一个任务就创建一个woker，回收时间是60s
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
- newFixedThreadPool
一个固定线程数量的线程池。
定长线程池：
1、可控制线程最大并发数（同时执行的线程数）。 2、超出的线程会在队列中等待。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
// corePoolSize跟maximumPoolSize值一样，同时传入一个无界阻塞队列
// 该线程池的线程会维持在指定线程数，不会进行回收
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
threadFactory);
}
- newSingleThreadExecutor
可以理解为线程数量为1的FixedThreadPool。
单线程化的线程池：
1、有且仅有一个工作线程执行任务。 2、所有任务按照指定顺序执行，即遵循队列的入队出队规则。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
// 线程池中只有一个线程进行任务执行，其他的都放入阻塞队列
// 外面包装的FinalizableDelegatedExecutorService类实现了finalize方法，在JVM垃圾回收的时候会关闭线程池
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
- newScheduledThreadPool
支持定时以指定周期循环执行任务。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
注意：前三种线程池是ThreadPoolExecutor不同配置的实例，最后一种是ScheduledThreadPoolExecutor的实例。
线程池的原理
从数据结构的角度来看，线程池主要使用了阻塞队列（BlockingQueue）和HashSet集合构成。 从任务提交的流程角度来看，对于使用线程池的外部来说，线程池的机制是这样的：
- 如果正在运行的线程数 < coreSize，马上创建核心线程执行该task，不排队等待；
- 如果正在运行的线程数 >= coreSize，把该task放入阻塞队列；
- 如果队列已满 && 正在运行的线程数 < maximumPoolSize，创建新的非核心线程执行该task；
- 如果队列已满 && 正在运行的线程数 >= maximumPoolSize，线程池调用handler的reject方法拒绝本次提交。
线程池的线程复用：
这里就需要深入到源码addWorker()：它是创建新线程的关键，也是线程复用的关键入口。最终会执行到runWoker，它取任务有两个方式：
- firstTask：这是指定的第一个runnable可执行任务，它会在Woker这个工作线程中运行执行任务run。并且置空表示这个任务已经被执行。
- getTask()：这首先是一个死循环过程，工作线程循环直到能够取出Runnable对象或超时返回，这里的取的目标就是任务队列workQueue，对应刚才入队的操作，有入有出。
其实就是任务在并不只执行创建时指定的firstTask第一任务，还会从任务队列的中通过getTask()方法自己主动去取任务执行，而且是有/无时间限定的阻塞等待，保证线程的存活。
信号量：
semaphore 可用于进程间同步也可用于同一个进程间的线程同步。
可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。
线程池都有哪几种工作队列
- ArrayBlockingQueue
是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。 - LinkedBlockingQueue
一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO （先进先出） 排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()和Executors.newSingleThreadExecutor使用了这个队列。 - SynchronousQueue
一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。 - PriorityBlockingQueue
一个具有优先级的无限阻塞队列。
怎么理解无界队列和有界队列
有界队列：
1.初始的poolSize < corePoolSize，提交的runnable任务，会直接做为new一个Thread的参数，立马执行 。
2.当提交的任务数超过了corePoolSize，会将当前的runable提交到一个block queue中。
3.有界队列满了之后，如果poolSize < maximumPoolsize时，会尝试new 一个Thread的进行救急处理，立马执行对应的runnable任务。
4.如果3中也无法处理了，就会走到第四步执行reject操作。
无界队列：
与有界队列相比，除非系统资源耗尽，否则无界的任务队列不存在任务入队失败的情况。当有新的任务到来，系统的线程数小于corePoolSize时，则新建线程执行任务。当达到corePoolSize后，就不会继续增加，若后续仍有新的任务加入，而没有空闲的线程资源，则任务直接进入队列等待。若任务创建和处理的速度差异很大，无界队列会保持快速增长，直到耗尽系统内存。
当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略。
多线程中的安全队列一般通过什么实现
Java提供的线程安全的Queue可以分为阻塞队列和非阻塞队列，其中阻塞队列的典型例子是BlockingQueue，非阻塞队列的典型例子是ConcurrentLinkedQueue.
对于BlockingQueue，想要实现阻塞功能，需要调用put(e) take() 方法。而ConcurrentLinkedQueue是基于链接节点的、无界的、线程安全的非阻塞队列。
