Java 并发面试系列-02
Java 并发面试系列-02
1. Java 中 volatile 和 synchronized 有什么区别？
1）volatile关键字是线程同步的轻量级实现，所以volatile性能肯定比synchronized要好；volatile只能修饰变量，而synchronized可以修饰方法、代码块。
随着JDK新版本的发布，synchronized的执行效率也有较大的提升，在开发中使用分吐匹犯止创的比率还是很大的。
2）多线程访问volatile变量不会发生阻塞，而synchronized可能会阻塞。
3）volatile能保证数据的可见性，但是不能保证原子性；而synchronized可以保证原子性，也可以保证可见性。
4）关键字volatile解决的是变量在多个线程之间的可见性；synchronized关键字解决多个线程之间访问公共资源的同步性。
2. 什么是AQS？
AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，是抽象队列同步器，是一个用来构建锁和同步器的框架，内部实现的关键是：先进先出的队列、state状态，在LOCK包中的相关锁(常用的有ReentrantLock、 ReadWriteLock)都是基于AQS来构建。
ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock底层都是基于AQS来实现的，它是构建锁或者其他同步组件的基础框架（如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等），JUC并发包的作者（Doug Lea）期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。它是JUC并发包中的核心基础组件。
3. Java 中 AQS 实现方式是什么？
AQS的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。
4. Java 中 AQS 核心思想是什么？
AQS核心思想是如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用。
5. 【字节跳动】Java 中 AQS 底层原理是什么？
AQS使用一个int类型的成员变量state来表示同步状态，当state>0时表示已经获取了锁，当state = 0时表示释放了锁。它提供了三个方法（getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update)）来对同步状态state进行操作，当然AQS可以确保对state的操作是安全的。
AQS通过内置的FIFO同步队列来完成资源获取线程的排队工作，如果当前线程获取同步状态失败（锁）时，AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，则会把节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。
6. 程序计数器为什么是私有的？
程序计数器主要有下面两个作用：
字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。
需要注意的是，如果执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。
所以，程序计数器私有主要是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。
7. 虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的？
虚拟机栈
每个Java方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在Java虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
本地方法栈
和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。 在HotSpot虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。
因此，为了保证线程中的局部变量不被别的线程访问到，虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。
8. 为什么要使用多线程呢？
先从总体上来说：
从计算机底层来说：线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
从当代互联网发展趋势来说：现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。
再深入到计算机底层来探讨：
单核时代：在单核时代多线程主要是为了提高CPU和IO设备的综合利用率。举个例子：当只有一个线程的时候会导致CPU计算时，IO设备空闲；进行IO操作时，CPU空闲。我们可以简单地说这两者的利用率目前都是 50%左右。但是当有两个线程的时候就不一样了，当一个线程执行CPU计算时，另外一个线程可以进行IO操作，这样两个的利用率就可以在理想情况下达到100%了。
多核时代: 多核时代多线程主要是为了提高CPU利用率。举个例子：假如我们要计算一个复杂的任务，我们只用一个线程的话，CPU只会一个CPU核心被利用到，而创建多个线程就可以让多个CPU核心被利用到，这样就提高了CPU的利用率。
9. 使用多线程可能带来什么问题？
并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率提高程序运行速度，但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的，而且并发编程可能会遇到很多问题。
比如：内存泄漏、上下文切换、死锁还有受限于硬件和软件的资源闲置问题。
10. sleep() 方法和 wait() 方法有什么区别和共同点？
两者最主要的区别在于：sleep()方法没有释放锁，而wait()方法释放了锁。
sleep()方法和wait()方法都可以暂停线程的执行。
wait()方法通常被用于线程间交互/通信，sleep()方法通常被用于暂停执行。
wait()方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的notify()或者notifyAll()方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒。
11. 什么是多线程中的上下文切换？
多线程编程中一般线程的个数都大于CPU核心的个数，而一个CPU核心在任意时刻只能被一个线程使用，为了让这些线程都能得到有效执行，CPU采取的策略是为每个线程分配时间片并轮转的形式。当一个线程的时间片用完的时候就会重新处于就绪状态让给其他线程使用，这个过程就属于一次上下文切换。
概括来说就是：当前任务在执行完CPU时间片切换到另一个任务之前会先保存自己的状态，以便下次再切换会这个任务时，可以再加载这个任务的状态。任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。
上下文切换通常是计算密集型的。也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的CPU时间，事实上，可能是操作系统中时间消耗最大的操作。
Linux相比与其他操作系统（包括其他类Unix系统）有很多的优点，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。
12. 死锁与活锁都有哪些区别？
死锁：是指两个或两个以上的进程（或线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。
产生死锁的必要条件：
互斥条件：所谓互斥就是进程在某一时间内独占资源。 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。 不剥夺条件:进程已获得资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
活锁：任务或者执行者没有被阻塞，由于某些条件没有满足，导致一直重复尝试，失败，尝试，失败。
活锁和死锁的区别在于，处于活锁的实体是在不断的改变状态，所谓的“活”， 而处于死锁的实体表现为等待；活锁有可能自行解开，死锁则不能。
13. 死锁与饥饿都有哪些区别？
死锁：是指两个或两个以上的进程（或线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。
产生死锁的必要条件：
互斥条件：所谓互斥就是进程在某一时间内独占资源。 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。 不剥夺条件:进程已获得资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
饥饿：一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源，导致一直无法执行的状态。
Java中导致饥饿的原因：
高优先级线程吞噬所有的低优先级线程的CPU时间。 线程被永久堵塞在一个等待进入同步块的状态，因为其他线程总是能在它之前持续地对该同步块进行访问。 线程在等待一个本身也处于永久等待完成的对象(比如调用这个对象的wait方法)，因为其他线程总是被持续地获得唤醒。
14. Java 中用到的线程调度算法是什么？
计算机通常只有一个CPU，在任意时刻只能执行一条机器指令，每个线程只有获得CPU的使用权才能执行指令。所谓多线程的并发运行，其实是指从宏观上看，各个线程轮流获得CPU的使用权，分别执行各自的任务。在运行池中，会有多个处于就绪状态的线程在等待CPU，JAVA虚拟机的一项任务就是负责线程的调度，线程调度是指按照特定机制为多个线程分配CPU的使用权。
有两种调度模型：分时调度模型和抢占式调度模型。
分时调度模型是指让所有的线程轮流获得cpu的使用权，并且平均分配每个线程占用的CPU的时间片这个也比较好理解。
java虚拟机采用抢占式调度模型，是指优先让可运行池中优先级高的线程占用CPU，如果可运行池中的线程优先级相同，那么就随机选择一个线程，使其占用CPU。处于运行状态的线程会一直运行，直至它不得不放弃CPU。
15. 什么是线程组，为什么 Java不推荐使用？
线程组和线程池是两个不同的概念，他们的作用完全不同，前者是为了方便线程的管理，后者是为了管理线程的生命周期，复用线程，减少创建销毁线程的开销。
ThreadGroup类，可以把线程归属到某一个线程组中，线程组中可以有线程对象，也可以有线程组，组中还可以有线程，这样的组织结构有点类似于树的形式。
线程组ThreadGroup对象中的stop，resume，suspend会导致安全问题，主要是死锁问题，已经被官方废弃，价值已经大不如以前。
Java不推荐使用，这是因为线程组ThreadGroup不是线程安全的，有很多的安全隐患问题，推荐使用线程池。
16. 为什么使用 Executor 框架？
每次执行任务创建线程new Thread()比较消耗性能，创建一个线程是比较耗时、耗资源的。
调用new Thread()创建的线程缺乏管理，被称为野线程，而且可以无限制的创建，线程之间的相互竞争会导致过多占用系统资源而导致系统瘫痪，还有线程之间的频繁交替也会消耗很多系统资源。
使用new Thread()启动的线程不利于扩展，比如定时执行、定期执行、定时定期执行、线程中断等都不便实现。
17. Java 中 Executor 和 Executors 有什么区别？
Executors工具类的不同方法按照我们的需求创建了不同的线程池，来满足业务的需求。
Executor接口对象能执行我们的线程任务。
ExecutorService接口继承了Executor接口并进行了扩展，提供了更多的方法我们能获得任务执行的状态并且可以获取任务的返回值。
使用ThreadPoolExecutor可以创建自定义线程池。
Future 表示异步计算的结果，他提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并可以使用get()方法获取计算的结果。
18. 什么是原子操作？
原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”。
处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。
在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。 CAS操作——Compare And Set，或是Compare And Swap，现在几乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作。
原子操作是指一个不受其他操作影响的操作任务单元。原子操作是在多线程环境下避免数据不一致必须的手段。
19. Java Concurrency API 中有哪些原子类？
java.util.concurrent包提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。
原子类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
原子数组：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
原子属性更新器：AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater
解决ABA问题的原子类：AtomicMarkableReference（通过引入一个boolean来反映中间有没有变过），AtomicStampedReference（通过引入一个int来累加来反映中间有没有变过）。
20. 什么是Executors框架？
Executor框架是一个根据一组执行策略调用，调度，执行和控制的异步任务的框架。
无限制的创建线程会引起应用程序内存溢出。所以创建一个线程池是个更好的的解决方案，因为可以限制线程的数量并且可以回收再利用这些线程。利用Executors框架可以非常方便的创建一个线程池。
