Java 2024 常见多线程20道面试题

简介： 线程是一种轻量级进程，用于实现并发编程。它是操作系统进行调度的基本单位，可以独立运行并共享进程资源。线程能够提高程序的并发性和响应速度，并节约系统资源，因此在多任务和并发编程中被广泛使用。

以下是 20 道常见的 Java 多线程面试题：

什么是线程？为什么需要线程？

线程是一种轻量级进程，用于实现并发编程。它是操作系统进行调度的基本单位，可以独立运行并共享进程资源。线程能够提高程序的并发性和响应速度，并节约系统资源，因此在多任务和并发编程中被广泛使用。

线程和进程的区别是什么？

进程是程序的一次执行过程，它拥有独立的内存空间和系统资源。线程是进程中的一个实体，它共享进程的内存空间和系统资源，但拥有独立的执行路径和局部变量。多个线程可以同时运行在同一个进程内。

创建线程有几种方式？请分别说明它们的优缺点。

创建线程的方式有三种：继承 Thread 类、实现 Runnable 接口、实现 Callable 接口。

继承 Thread 类的缺点是类的继承性受限，同时无法再继承其他类，而实现接口具有更好的扩展性；Runnable 的优点是可以避免由于 Java 的单继承特性带来的局限，同时多个线程可以共享同一个 Runnable 实例，减少了资源消耗；Callable 接口可以获得执行结果，但需要借助 ExecutorService 执行器来启动线程。

同步和异步的区别是什么？

同步指多个线程在同一时间段内访问共享资源时，只有一个线程能够占用资源，其他线程必须等待；异步指多个线程在不同时间段内访问共享资源时，各自单独占用资源，不存在竞争问题。

什么是锁？请说明并发编程中锁的作用。

锁是用于控制多个线程对共享资源访问的机制。它可以保证同一时间只有一个线程能够访问共享资源，防止数据错误和系统崩溃。常见的锁包括 synchronized 关键字、ReentrantLock 类等。

synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别？

synchronized 是 Java 中原生的关键字，它适用于所有对象和方法，具有可重入性和原子性，并且不需要手动释放锁，但它不能指定公平或非公平策略。ReentrantLock 是一个类，它也具有可重入性和可指定公平或非公平策略的特点，但需要手动释放锁，同时需要实现 tryLock() 方法来避免死锁的问题。

什么是线程安全？如何保证线程安全？

线程安全指在多线程环境中，多个线程访问共享资源的数据时不会出错。保证线程安全的方式有多种，包括使用 synchronized 关键字、使用 ReentrantLock 类或原子类（如 AtomicInteger、ConcurrentHashMap 等）、使用 volatile 关键字、使用线程安全的容器和工具类等。

什么是死锁？如何避免死锁？

死锁指两个或多个进程互相持有对方所需要的资源，并且都在等待对方先释放资源，导致所有进程都无法继续执行的状态。避免死锁的方法包括打破占有和等待条件、打破互斥条件、打破不可剥夺条件和循环等待条件。

什么是线程池？如何创建线程池？

线程池是一组具有固定数量线程并发处理任务的机制。它可以减少线程的创建和销毁开销，提高线程利用效率。Java 中可以通过 Executors 工厂类的静态方法来创建不同类型的线程池。

什么是 CountDownLatch？如何使用它？

CountDownLatch 是 Java 中的一个同步工具类，用于同步多个线程之间的执行顺序。它可以让一个线程等待 n 个线程完成某个操作后再继续执行。使用 CountDownLatch 时需要创建一个 CountDownLatch 对象，并在等待线程中调用 await() 方法，在其他线程完成操作时调用 countdown() 方法。

什么是 AQS？它的作用是什么？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包中的一个抽象类，用于自定义实现同步器。它通过一个 FIFO 队列来管理阻塞线程，支持独占和共享两种模式，并提供了多种锁和同步器的实现，如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等。

什么是 volatile 关键字？它有什么作用？

volatile 是 Java 中的关键字，用于修饰变量，保证其在多线程环境下的可见性，即当一个线程修改了该变量的值时，其他线程能够立即看到最新的值。同时，volatile 也可以确保对该变量的读写操作都是原子性的。但是，volatile 只能保证单个变量在多线程中的可见性，不能保证复合操作的原子性。

什么是 CAS 操作？它有什么作用？

CAS（Compare and Swap）操作是一种原子操作，用于解决并发编程中的原子性问题。它比传统的锁机制更加轻量级，能够提高程序的并发性和性能。CAS 操作包括三个操作数：内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。如果当前内存地址的值与预期值相等，则用新值替换当前值，否则不作任何操作。

什么是 volatile 的可见性原理？

volatile 的可见性原理基于 Java 内存模型（JMM）。在多线程环境下，每个线程都有自己独立的工作内存，当一个线程修改了共享变量的值时，不会立即写回主内存中，而是先写到自己的工作内存中。这就可能导致其他线程无法立刻看到该变量的最新值。使用 volatile 关键字修饰变量时，会强制将该变量的值写回主内存中，并使得所有其他线程能够看到最新的值，从而保证了可见性。

什么是线程安全的队列？请举例说明它们在并发编程中的作用。

线程安全的队列是指多个线程可以同时访问的队列，而不会导致数据错误或线程冲突等问题。Java 中提供了多种线程安全的队列，例如 ConcurrentLinkedQueue、BlockingQueue、SynchronousQueue 等。它们在并发编程中的作用是提高线程之间的通信效率和效果，避免数据的竞争和错乱。

什么是并发集合？请举例说明。

并发集合是指同时支持多个线程访问的集合。Java 中提供了多种并发集合，例如 ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet 等。它们可以有效地避免竞争问题、提高性能和增强扩展性，满足了在多任务和并发编程中的需求。

什么是线程上下文切换？它对程序性能有什么影响？

线程上下文切换是指 CPU 从一个线程中断并保存上下文信息，然后转而执行另一个线程的过程。它会消耗大量的 CPU 时间和系统资源，对程序性能和响应速度有很大的影响。

什么是线程调度算法？请举例说明。

线程调度算法是操作系统用于决定哪个线程能够占用 CPU 时间并执行的算法。常见的线程调度算法包括时间片轮转算法、优先级调度算法、多级反馈队列调度算法等。例如，在时间片轮转算法中，每个线程会分配一定的时间片，并按照轮流分配的方式进行调度。

什么是 Semaphore？可以用它实现什么功能？

Semaphore 是 Java 并发包中的一个同步工具类，用于实现对并发线程的访问控制。它可以控制同一时间内可以执行访问共享资源的线程数，并支持多个线程的等待和唤醒操作。Semaphore 可以用于实现连接池、并发流量控制、有界队列等功能。

什么是 Fork/Join 框架？它有什么作用？

Fork/Join 框架是 Java 并发包中的一个框架，用于实现大规模的并行计算。它采用分治策略，将一个大任务拆分成多个小任务，然后递归地处理每个小任务，最后将结果汇总起来。Fork/Join 框架可以充分利用多核 CPU 的性能，提高程序的并发性和执行效率。常见的应用包括并行排序、矩阵乘法、图像处理等。