面试题分享之Java并发篇

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面试题分享之Java集合篇（三）

面试题分享之Java集合篇（二）

面试题分享之Java基础篇（三）

前言

今天给小伙伴们分享我整理的关于Java并发的一些常见面试题，这期涉及到线程的一些知识，所以要求小伙伴有一些操作系统的知识，不清楚也不要紧，也不是什么很难的知识点。🌈

一、什么是线程？什么是进程？

线程：线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
进程：进程是操作系统分配资源的基本单位，它是程序在计算机上的一次执行活动。当系统为一个程序分配资源后，该程序就成为一个独立的进程。

👨‍💻面试官追问：线程跟进程的区别是什么？

线程是进程划分成的更小的运行单位。
独立性：进程是独立的，拥有独立的内存空间和系统资源；而线程是依赖进程的，多个线程共享其所属进程的内存空间和资源。
开销：进程的创建和销毁开销较大，因为需要为其分配和回收系统资源；而线程的创建和销毁开销较小。
切换速度：由于线程的上下文信息相对较少，因此线程间的切换速度通常比进程间的切换速度快。
通信与数据共享：进程间的通信和数据共享相对困难，需要通过特定的机制来实现；而线程间的通信和数据共享相对容易，因为它们共享其所属进程的内存空间和资源。
并发性：进程和线程都可以实现并发执行，但线程通常用于实现更细粒度的并发操作。在一个多核或多处理器的系统中，多个进程可以并行执行；而在一个进程中，多个线程也可以并行执行（如果处理器支持多线程）。

二、说一下线程的生命周期，它有几种状态

线程的生命周期包含五个阶段，即五种状态，分别是：

新建状态（New）：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。在这个阶段，线程只是被分配了必要的资源，并初始化其状态。
就绪状态（Runnable）：线程对象创建后，其他线程（比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于“可运行线程池”中，变得可运行，只等待获取CPU的使用权。换句话说，线程已经做好了执行的就绪准备，表示可以运行了，但还不是正在运行的线程。
运行状态（Running）：当就绪的线程被调度并获得CPU资源时，便进入运行状态，开始执行run()方法的线程执行体。在这个阶段，线程正在执行其任务。
阻塞状态（Blocked）：在运行状态的时候，可能因为某些原因导致运行状态的线程变成了阻塞状态。阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。阻塞的情况可能包括：
- 等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，该线程会释放占用的所有资源，JVM会把该线程放入“等待池”中。
- 其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。
- 阻塞于锁：线程试图获取某个锁，但该锁当前被其他线程持有。
直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。
死亡状态（Dead）：当线程退出run()方法时，线程就会自然死亡，处于终止或死亡状态，也就结束了生命周期。

这五个状态构成了线程从创建到消亡的完整生命周期。

三、说一下你对守护线程的了解？

守护线程：即Daemon线程是一种支持型线程，因为它主要被用作程序中后台调度以及支持性工作。这意味着，当一个Java虚拟机中不存在非Daemon线程的时候，Java虚拟机将会退出，因此，在守护线程中执行涉及I/O操作的任务可能会导致数据丢失或其他不可预测的问题。可以通过调用Thread.setDaemon(true)将线程设置为Daemon线程。

👨‍💻面试官追问：如何使用守护线程，使用时有什么要注意的

使用方法

创建线程：首先，你需要创建一个继承自Thread类的新线程或者实现Runnable接口的对象。
设置守护线程：在调用start()方法之前，通过调用线程的setDaemon(true)方法将其设置为守护线程。
启动线程：调用线程的start()方法启动线程。

示例

public class DaemonThreadExample extends Thread{public DaemonThreadExample() {// 默认构造函数}@Overridepublic void run() {while (true) {// 守护线程执行的代码System.out.println("守护线程正在运行....");try {Thread.sleep(1000); // 暂停一秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();// 如果守护线程被中断，则退出循环break;}}}public static void main(String[] args) {// 创建守护线程对象DaemonThreadExample daemonThread = new DaemonThreadExample();// 设置为守护线程daemonThread.setDaemon(true);// 启动守护线程daemonThread.start();// 主线程执行其他任务，例如休眠一段时间try {Thread.sleep(5000); // 主线程休眠5秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 当主线程结束时，守护线程也会立即停止System.out.println("当主线程结束时，守护线程停止.");}
}

注意事项

设置守护线程的时机：必须在调用线程的start()方法之前调用setDaemon(true)方法将其设置为守护线程。如果在调用start()方法之后调用setDaemon(true)，则会抛出IllegalThreadStateException。

守护线程与前台线程：守护线程主要是为前台线程服务的。当所有的前台线程都结束时，JVM会立即停止，此时守护线程也会被强制终止。因此，守护线程不应该执行任何重要的或必须完成的任务。

避免在守护线程中执行I/O操作：由于守护线程的生命周期是不确定的，可能在任何时候被终止，因此在守护线程中执行I/O操作可能会导致数据丢失或文件损坏等问题。

线程池中的守护线程：如果你在使用线程池（如ExecutorService），并希望线程池中的线程是守护线程，那么你需要确保在调用Executors的工厂方法创建线程池时，传入的线程工厂（ThreadFactory）创建的线程是守护线程。但是，Java的ExecutorService默认并不支持直接设置守护线程，因为线程池通常用于执行重要的后台任务，这些任务应该由前台线程来执行。

不要依赖守护线程完成关键任务：由于守护线程的生命周期受前台线程的控制，因此不应该依赖守护线程来完成关键任务或需要持久运行的任务。这些任务应该由前台线程来执行。

守护线程在Java编程中有多种应用场景，这些场景通常涉及需要在后台运行的任务，以支持其他线程或执行特定的服务,比如：日志记录、定时任务、数据统计、垃圾回收等。

给大家写一个日志记录的场景：

import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class LogRecorder {private final ScheduledExecutorService scheduler;private final BufferedWriter logWriter;public LogRecorder(String logFilePath) throws IOException {// 创建一个单线程的守护线程池scheduler = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(r -> {Thread thread = new Thread(r);// 设置为守护线程thread.setDaemon(true);return thread;});// 初始化日志文件的写入器logWriter = new BufferedWriter(new FileWriter(logFilePath, true));}// 启动日志记录任务public void startLogging() {// 每隔一段时间记录一条日志（这里假设为每5秒）scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {try {// 模拟生成一条日志String logMessage = "日志信息: " + System.currentTimeMillis();logWriter.write(logMessage);logWriter.newLine();logWriter.flush();System.out.println(logMessage);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();// 可以在这里处理异常，例如重新打开文件或记录错误日志}}, 0, 5, TimeUnit.SECONDS);}// 停止日志记录任务并关闭文件写入器public void stopLogging() throws IOException {scheduler.shutdown(); // 停止任务调度logWriter.close(); // 关闭文件写入器}public static void main(String[] args) throws IOException {// 假设日志文件路径为"logs/application.log"String logFilePath = "文件地址/xxx.log";LogRecorder logRecorder = new LogRecorder(logFilePath);// 启动日志记录任务logRecorder.startLogging();// 模拟主线程执行一些任务try {Thread.sleep(30000); // 主线程休眠30秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 停止日志记录任务并关闭文件写入器logRecorder.stopLogging();// 主线程结束，由于守护线程的存在，JVM不会立即关闭// 但由于我们调用了scheduler.shutdown()，守护线程中的任务将不再执行System.out.println(" 主线程结束，停止写入日志.");}
}

四、使用多线程可能带来什么问题

在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如：

上下文切换的问题：频繁的上下文切换会影响多线程的执行速度。
死锁的问题
受限于硬件和软件的资源限制问题：在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机的硬件或软件资源。

👨‍💻面试官追问：既然你提到了锁，那么死锁产生的必要条件是什么？

互斥条件（Mutual Exclusion）：至少有一个资源必须处于非共享状态，即一次只能被一个进程或线程占用。
请求与保持条件（Hold and Wait）：进程或线程至少需要持有一个资源，并且在等待其他资源时不释放已占有的资源。
不可剥夺条件（No Preemption）：已分配给进程或线程的资源不能被强制性地剥夺，只能由持有资源的进程或线程主动释放。
循环等待条件（Circular Wait）：存在一个进程或线程的资源申请序列，使得每个进程或线程都在等待下一个进程或线程所持有的资源。

👨‍💻面试官继续追问：那你说说Java多线程避免死锁有什么办法？

按顺序获取锁：当多个线程需要获取多个锁时，为了避免死锁，可以约定一个获取锁的顺序，并且所有线程都按照这个顺序来获取锁。这样可以确保锁是以一致的顺序被请求和释放的。
避免嵌套锁：尽量减少锁的嵌套使用，避免在持有锁的情况下再申请其他锁。如果必须使用多个锁，尽量保证锁的获取顺序一致，以避免死锁。
使用定时锁或tryLock()：Java提供了定时锁的机制，即在尝试获取锁的时候设定一个等待的时间。如果在这个时间内未能获取到锁，就主动放弃。另外，可以使用tryLock()方法来尝试获取锁，如果获取失败则不会阻塞，可以继续执行其他逻辑或等待一段时间后重新尝试。
使用并发工具类：Java中的并发工具类，如java.util.concurrent包下的类，提供了许多高级并发工具，如Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等，这些工具可以帮助简化多线程编程，并减少死锁的风险。
避免线程持有锁的时间过长：当一个线程持有一个锁并长时间不释放时，会阻塞其他线程的访问，并增加死锁的概率。因此，需要尽量缩短线程持有锁的时间，及时释放锁，以便其他线程能够及时获取锁并继续工作。
仔细设计资源申请顺序：在设计多线程程序时，要仔细考虑资源申请的顺序。如果多个线程都需要获取同一组资源，可以考虑引入一个资源分配器，通过分配器来按照一定的策略来分配资源，避免资源的竞争。
死锁检测和恢复：虽然预防死锁是最好的策略，但有时死锁仍然可能发生。在这种情况下，可以使用死锁检测算法来及时发现死锁，并采取必要的措施进行恢复，如终止一个或多个进程或线程，或者回滚到某个一致的状态。

👨‍💻面试官继续追问：你能写一个Java死锁的案例吗？

当两个或多个线程无限期地等待一个资源，而这些资源又被其他线程持有时，就会发生死锁。

public class DeadlockExample {
/*
这个死锁大概思路：
1、线程1拿到lock1休眠5s
2、线程1休眠后，线程2拿到lock2
3、线程1休眠结束后。尝试拿lock2，但是lock2被线程2占有
4、同理，线程2休眠结束后，尝试拿lock1，但是lock1又被线程1占有
因此，造成了死锁
*/public static void main(String[] args) {Object lock1 = new Object();Object lock2 = new Object();new Thread(() -> {synchronized (lock1){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"已经获得a锁");try {Thread.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"睡眠5ms结束");synchronized (lock2) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"已经获得b锁");}}},"线程1").start();new Thread(() -> {synchronized (lock2) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经获得b锁");try {Thread.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"睡眠5ms结束");synchronized (lock1) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经获得a锁");}}},"线程2").start();}
}

五、说一说sleep()、wait()、join()、yield()的区别

在说这几个方法区别之前，先给大家说一下什么锁池和等待池。

1.锁池

所有需要竞争同步锁的线程都会放在锁池中，比如当前对象的锁已经被其中一个线程得到，则其他线程需要在这个锁池进行等待，当前面的线程释放同步锁后锁池中的线程去竞争同步锁，当某个线程得到后会进入就绪队列进行等待cpu资源分配。

2.等待池

当我们调用wait（）方法后，线程会放到等待池当中，等待池的线程是不会去竞争同步锁。只有调用notify（）或notifyAll（）后等待池的线程才会开始去竞争锁，notify（）是随机从等待池选出一个线程放到锁池，而notifyAll（）是将等待池的所以线程放到锁池当中。

sleep跟wait的区别：

sleep方法是Thread类的静态方法，wait是Object类的本地方法
sleep方法不会释放锁，但是wait会释放锁，而且会加入到等待队列中

sleep就是把cpu的执行资格和执行权释放出去，不在运行此线程，当定时时间结束后再取回cpu资源，参与cpu的调度，获取到cpu资源后就可以继续运行了。而如果sleep时该线程有锁，那么sleep也不会释放这个锁，而是把锁带着进入了冻结状态，也就是说其他需要这个锁的线程根本不可能获取到这把锁。也就是无法执行程序。如果在睡眠期间其他线程调用了这个线程的interrupt方法，那么这个线程也会抛出interruptexception异常返回，这和wait是一样的。

3.sleep方法不依赖于同步器synchronized,但是wait需要依赖synchronized关键字。

4.sleep不需要被唤醒，但是wait需要（不指定时间需要被别人中断）。

5.sleep一般用于当前线程休眠，或者轮询暂停操作，wait则多用于多线程之间的通信。

6.sleep会让出CPU执行时间并且强制上下文切换，而wait不一定，wait后还是有机会重新争夺锁继续执行的。

yield跟join的区别

yield（）执行后线程直接进入就绪状态，马上释放cpu的执行权，但是依旧保留了cpu的执行资格，所以有可能cpu下次进行线程调度还会让这个线程获取到执行权继续执行

join（）执行后线程进入阻塞状态，例如在线程B中调用线程A的join（），那么线程B会进入到阻塞队列，直到线程A结束或中断线程

给大家举一个简单的例子：t1线程先睡4秒，然后执行，之后又调用了join（）使主线程进入阻塞，直到t1线程执行完之后主线程才会执行。（注意：是主线程进入阻塞而不是t1阻塞）

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 =  new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(4000);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行了。。。");}});t1.start();t1.join();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行了。。。");}/*打印结果：
Thread-0执行了。。。 （先执行）
main执行了。。。 （后执行）
*/

六、知道线程中的 run() 和 start() 有什么区别吗？

功能：

run(): 这是Thread类中的一个方法，用于定义线程要执行的任务。当你直接调用一个线程的run()方法时（例如myThread.run()），它会在当前线程（通常是主线程）中执行，而不是在新的线程中。这意味着它不会启动一个新线程。
start(): 这是Thread类中的另一个方法，用于启动一个新线程来执行run()方法中的代码。当你调用start()方法时（例如myThread.start()），Java会创建一个新的线程，并在该线程中调用run()方法。这意味着run()方法中的代码会在新的线程中执行。

执行上下文：

直接调用run()：代码在当前线程（通常是主线程）的上下文中执行。
调用start()：Java会创建一个新的线程，并在该线程的上下文中执行run()方法中的代码。

返回值：

run(): 它没有返回值（即返回类型为void）。
start(): 它也没有返回值（返回类型为void），但它启动了一个新线程。

异常处理：

如果你在run()方法中抛出一个未检查的异常（例如RuntimeException），并且你没有在该方法中捕获它，那么它会在当前线程中直接抛出，并且可能会导致程序崩溃（除非有其他地方的代码捕获了该异常）。
如果你在start()方法中抛出一个异常，那么它实际上是在调用start()的线程中抛出的，而不是在新创建的线程中。这是因为start()方法是在当前线程中调用的，而新线程是在start()方法内部创建的。

线程状态：

当线程首次被创建时，它的状态是NEW。
当你调用start()方法时，线程的状态变为RUNNABLE（或BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING等，具体取决于线程的行为）。
如果你直接调用run()方法而不是start()方法，线程将不会被创建为单独的线程，并且它的状态仍然是NEW（尽管这在实际中并不常见，因为通常你会在创建线程后立即调用start()）。

总结：你应该总是使用start()方法来启动一个新线程，而不是直接调用run()方法。

七、说了这么多，Java程序中如何保证多线程的安全

原子性：在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么都执行，要么都不执行。可以用Java提供了java.util.concurrent.atomic包下的原子类，如AtomicInteger、AtomicLong等，这些类中的方法都是线程安全，或者java.util.concurrent.locks 包下的 Lock 接口提供了比 synchronized 更灵活的锁机制，包括可重入锁、读写锁、定时锁等
可见性：Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值