前言

個人珍藏的80道Java多執行緒/並發經典面試題，因為篇幅太長，現在先給出1-10的答案解析哈，後面一起完善，並且上傳github哈~

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//github.com/whx123/JavaHome

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「公眾號：撿田螺的小男孩」

1. synchronized的實現原理以及鎖優化？

synchronized的實現原理

• synchronized作用於「方法」或者「程式碼塊」，保證被修飾的程式碼在同一時間只能被一個執行緒訪問。
• synchronized修飾程式碼塊時，JVM採用「monitorenter、monitorexit」兩個指令來實現同步
• synchronized修飾同步方法時，JVM採用「ACC_SYNCHRONIZED」標記符來實現同步
• monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是「基於Monitor實現」的
• 實例對象里有對象頭，對象頭裡面有Mark Word，Mark Word指針指向了「monitor」
• Monitor其實是一種「同步工具」，也可以說是一種「同步機制」。
• 在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由「ObjectMonitor實現」的。ObjectMonitor體現出Monitor的工作原理~

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 記錄執行緒獲取鎖的次數
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //鎖的重入次數
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor對象的執行緒
    _WaitSet      = NULL;  // 處於wait狀態的執行緒，會被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 處於等待鎖block狀態的執行緒，會被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor的幾個關鍵屬性 _count、_recursions、_owner、_WaitSet、 _EntryList 體現了monitor的工作原理

鎖優化

在討論鎖優化前，先看看JAVA對象頭(32位JVM)中Mark Word的結構圖吧~

Mark Word存儲對象自身的運行數據，如「哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態標誌、偏向時間戳（Epoch）」 等，為什麼區分「偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖」等幾種鎖狀態呢？

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在JDK1.6之前，synchronized的實現直接調用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之為「重量級鎖」。從JDK6開始，HotSpot虛擬機開發團隊對Java中的鎖進行優化，如增加了適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等優化策略。

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• 偏向鎖：在無競爭的情況下，把整個同步都消除掉，CAS操作都不做。
• 輕量級鎖：在沒有多執行緒競爭時，相對重量級鎖，減少作業系統互斥量帶來的性能消耗。但是，如果存在鎖競爭，除了互斥量本身開銷，還額外有CAS操作的開銷。
• 自旋鎖：減少不必要的CPU上下文切換。在輕量級鎖升級為重量級鎖時，就使用了自旋加鎖的方式
• 鎖粗化：將多個連續的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個範圍更大的鎖。

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舉個例子，買門票進動物園。老師帶一群小朋友去參觀，驗票員如果知道他們是個集體，就可以把他們看成一個整體（鎖租化），一次性驗票過，而不需要一個個找他們驗票。

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• 鎖消除:虛擬機即時編譯器在運行時，對一些程式碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行削除。

有興趣的朋友們可以看看我這篇文章：
Synchronized解析——如果你願意一層一層剝開我的心^[1]

2. ThreadLocal原理，使用注意點，應用場景有哪些？

回答四個主要點：

• ThreadLocal是什麼?
• ThreadLocal原理
• ThreadLocal使用注意點
• ThreadLocal的應用場景

ThreadLocal是什麼?

ThreadLocal，即執行緒本地變數。如果你創建了一個ThreadLocal變數，那麼訪問這個變數的每個執行緒都會有這個變數的一個本地拷貝，多個執行緒操作這個變數的時候，實際是操作自己本地記憶體裡面的變數，從而起到執行緒隔離的作用，避免了執行緒安全問題。

//創建一個ThreadLocal變數
static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();

ThreadLocal原理

ThreadLocal記憶體結構圖：

由結構圖是可以看出：

• Thread對象中持有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap的成員變數。
• ThreadLocalMap內部維護了Entry數組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

對照著幾段關鍵源碼來看，更容易理解一點哈~

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

ThreadLocal中的關鍵方法set()和get()

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); //獲取當前執行緒t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);  //根據當前執行緒獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null)
            map.set(this, value); //K，V設置到ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); //創建一個新的ThreadLocalMap
    }

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();//獲取當前執行緒t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//根據當前執行緒獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null) {
            //由this（即ThreadLoca對象）得到對應的Value，即ThreadLocal的泛型值
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value; 
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

ThreadLocalMap的Entry數組

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

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
}

所以怎麼回答「ThreadLocal的實現原理」？如下，最好是能結合以上結構圖一起說明哈~

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• Thread類有一個類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的實例變數threadLocals，即每個執行緒都有一個屬於自己的ThreadLocalMap。
• ThreadLocalMap內部維護著Entry數組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。
• 每個執行緒在往ThreadLocal里設置值的時候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，讀也是以某個ThreadLocal作為引用，在自己的map里找對應的key，從而實現了執行緒隔離。

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ThreadLocal 記憶體泄露問題

先看看一下的TreadLocal的引用示意圖哈，

ThreadLocalMap中使用的 key 為 ThreadLocal 的弱引用，如下

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弱引用：只要垃圾回收機制一運行，不管JVM的記憶體空間是否充足，都會回收該對象佔用的記憶體。

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弱引用比較容易被回收。因此，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是因為ThreadLocalMap生命周期和Thread是一樣的，它這時候如果不被回收，就會出現這種情況：ThreadLocalMap的key沒了，value還在，這就會「造成了記憶體泄漏問題」。

如何「解決記憶體泄漏問題」？使用完ThreadLocal後，及時調用remove()方法釋放記憶體空間。

ThreadLocal的應用場景

• 資料庫連接池
• 會話管理中使用

3. synchronized和ReentrantLock的區別？

我記得校招的時候，這道面試題出現的頻率還是挺高的~可以從鎖的實現、功能特點、性能等幾個維度去回答這個問題，

• 「鎖的實現：」 synchronized是Java語言的關鍵字，基於JVM實現。而ReentrantLock是基於JDK的API層面實現的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 語句塊來完成。）
• 「性能：」 在JDK1.6鎖優化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6開始，增加了適應性自旋、鎖消除等，兩者性能就差不多了。
• 「功能特點：」 ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能，如等待可中斷、可實現公平鎖、可實現選擇性通知。

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• ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的執行緒的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現這個機制。
• ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的執行緒先獲得鎖。
• synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結合實現等待/通知機制，ReentrantLock類藉助Condition介面與newCondition()方法實現。
• ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖，一般跟finally配合釋放鎖。而synchronized不用手動釋放鎖。

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4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區別

• CountDownLatch：一個或者多個執行緒，等待其他多個執行緒完成某件事情之後才能執行;
• CyclicBarrier：多個執行緒互相等待，直到到達同一個同步點，再繼續一起執行。
  

舉個例子吧：

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• CountDownLatch：假設老師跟同學約定周末在公園門口集合，等人齊了再發門票。那麼，發門票（這個主執行緒），需要等各位同學都到齊（多個其他執行緒都完成），才能執行。
• CyclicBarrier:多名短跑運動員要開始田徑比賽，只有等所有運動員準備好，裁判才會鳴槍開始，這時候所有的運動員才會疾步如飛。

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5. Fork/Join框架的理解

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Fork/Join框架是Java7提供的一個用於並行執行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果後得到大任務結果的框架。

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Fork/Join框架需要理解兩個點，「分而治之」和「工作竊取演算法」。

「分而治之」

以上Fork/Join框架的定義，就是分而治之思想的體現啦

「工作竊取演算法」

把大任務拆分成小任務，放到不同隊列執行，交由不同的執行緒分別執行時。有的執行緒優先把自己負責的任務執行完了，其他執行緒還在慢慢悠悠處理自己的任務，這時候為了充分提高效率，就需要工作盜竊演算法啦~

工作盜竊演算法就是，「某個執行緒從其他隊列中竊取任務進行執行的過程」。一般就是指做得快的執行緒（盜竊執行緒）搶慢的執行緒的任務來做，同時為了減少鎖競爭，通常使用雙端隊列，即快執行緒和慢執行緒各在一端。

6. 為什麼我們調用start()方法時會執行run()方法，為什麼我們不能直接調用run()方法？

看看Thread的start方法說明哈~

    /**
     * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
     * calls the <code>run</code> method of this thread.
     * <p>
     * The result is that two threads are running concurrently: the
     * current thread (which returns from the call to the
     * <code>start</code> method) and the other thread (which executes its
     * <code>run</code> method).
     * <p>
     * It is never legal to start a thread more than once.
     * In particular, a thread may not be restarted once it has completed
     * execution.
     *
     * @exception  IllegalThreadStateException  if the thread was already
     *               started.
     * @see        #run()
     * @see        #stop()
     */
    public synchronized void start() {
     ......
    }

JVM執行start方法，會另起一條執行緒執行thread的run方法，這才起到多執行緒的效果~ 「為什麼我們不能直接調用run()方法？」
如果直接調用Thread的run()方法，其方法還是運行在主執行緒中，沒有起到多執行緒效果。

7. CAS？CAS 有什麼缺陷，如何解決？

CAS,Compare and Swap，比較並交換；

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CAS 涉及3個操作數，記憶體地址值V，預期原值A，新值B；
如果記憶體位置的值V與預期原A值相匹配，就更新為新值B，否則不更新

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CAS有什麼缺陷？

「ABA 問題」

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並發環境下，假設初始條件是A，去修改數據時，發現是A就會執行修改。但是看到的雖然是A，中間可能發生了A變B，B又變回A的情況。此時A已經非彼A，數據即使成功修改，也可能有問題。

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可以通過AtomicStampedReference「解決ABA問題」，它，一個帶有標記的原子引用類，通過控制變數值的版本來保證CAS的正確性。

「循環時間長開銷」

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自旋CAS，如果一直循環執行，一直不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。

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很多時候，CAS思想體現，是有個自旋次數的，就是為了避開這個耗時問題~

「只能保證一個變數的原子操作。」

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CAS 保證的是對一個變數執行操作的原子性，如果對多個變數操作時，CAS 目前無法直接保證操作的原子性的。

❞

可以通過這兩個方式解決這個問題：

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• 使用互斥鎖來保證原子性；
• 將多個變數封裝成對象，通過AtomicReference來保證原子性。

❞

有興趣的朋友可以看看我之前的這篇實戰文章哈~
CAS樂觀鎖解決並發問題的一次實踐^[2]

9. 如何保證多執行緒下i++ 結果正確？

• 使用循環CAS，實現i++原子操作
• 使用鎖機制，實現i++原子操作
• 使用synchronized，實現i++原子操作

沒有程式碼demo，感覺是沒有靈魂的~ 如下：

/**
 *  @Author 撿田螺的小男孩
 */
public class AtomicIntegerTest {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testIAdd();
    }

    private static void testIAdd() throws InterruptedException {
        //創建執行緒池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 2; j++) {
                    //自增並返回當前值
                    int andIncrement = atomicInteger.incrementAndGet();
                    System.out.println("執行緒:" + Thread.currentThread().getName() + " count=" + andIncrement);
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
        Thread.sleep(100);
        System.out.println("最終結果是 ：" + atomicInteger.get());
    }
    
}

運行結果：

...
執行緒:pool-1-thread-1 count=1997
執行緒:pool-1-thread-1 count=1998
執行緒:pool-1-thread-1 count=1999
執行緒:pool-1-thread-2 count=315
執行緒:pool-1-thread-2 count=2000
最終結果是 ：2000

10. 如何檢測死鎖？怎麼預防死鎖？死鎖四個必要條件

死鎖是指多個執行緒因競爭資源而造成的一種互相等待的僵局。如圖感受一下：

「死鎖的四個必要條件：」

• 互斥：一次只有一個進程可以使用一個資源。其他進程不能訪問已分配給其他進程的資源。
• 佔有且等待：當一個進程在等待分配得到其他資源時，其繼續佔有已分配得到的資源。
• 非搶佔：不能強行搶佔進程中已佔有的資源。
• 循環等待：存在一個封閉的進程鏈，使得每個資源至少佔有此鏈中下一個進程所需要的一個資源。

「如何預防死鎖？」

• 加鎖順序（執行緒按順序辦事）
• 加鎖時限 （執行緒請求所加上許可權，超時就放棄，同時釋放自己佔有的鎖）
• 死鎖檢測

參考與感謝

牛頓說，我之所以看得遠，是因為我站在巨人的肩膀上~ 謝謝以下各位前輩哈~

• 面試必問的CAS，你懂了嗎？^[3]
• Java多執行緒：死鎖^[4]
• ReenTrantLock可重入鎖（和synchronized的區別）總結^[5]
• 聊聊並發（八）——Fork/Join 框架介紹^[6]

個人公眾號

• 覺得寫得好的小夥伴給個點贊+關注啦，謝謝~
• 如果有寫得不正確的地方，麻煩指出，感激不盡。
• 同時非常期待小夥伴們能夠關注我公眾號，後面慢慢推出更好的乾貨~嘻嘻
• github地址：//github.com/whx123/JavaHome

Reference