多线程面试题及处理方案和详解

### 多线程面试题及处理方案详解 #### 一、synchronized关键字解析 ##### 1.1 原子性、有序性、可见性 **1.1.1 原子性** - **定义**：在多线程环境下，一个操作或一组操作在执行过程中不能被中断。例如，`i++`操作实际上包含读取、计算、写回三个步骤，这些步骤作为一个整体执行，不可分割。 - **实现方法**： - **synchronized关键字**：通过创建一个互斥锁确保同一时间只有一个线程能够访问特定代码块。 - **Lock接口**：提供了比`synchronized`更灵活的锁定机制，允许尝试锁定而不阻塞，并支持公平性和非公平性。 - **Atomic类**：基于CAS（Compare and Swap）算法提供原子操作。 **1.1.2 有序性** - **定义**：在多线程环境中，程序执行的顺序可能与代码中出现的顺序不同，这是由于编译器优化和处理器重排序导致的。使用`volatile`关键字可以禁止指令重排序，确保程序按照预期顺序执行。 - **例子**：在双重检查锁定（DCL）模式中，对象实例的构造过程必须保证不被重排序，以避免其他线程看到未完全初始化的对象。 **1.1.3 可见性** - **定义**：指当一个线程修改共享变量后，其他线程能够立即看到这个变化。`volatile`关键字通过强制执行缓存一致性协议来确保变量的可见性。 - **实现**：每当一个线程写入一个带有`volatile`关键字的变量时，该线程必须将修改后的值立即写回主内存；当另一个线程读取这个变量时，它必须从主内存中读取最新的值。 ##### 1.2 CAS问题 - **CAS**：即Compare-and-Swap算法，是一种无锁编程技术，用于实现多线程环境下的原子操作。其工作原理是先比较目标位置的值是否与预期值相同，若相同则更新为新值；否则，不做任何操作。 - **问题**： - **单变量限制**：CAS只能保证对单个变量操作的原子性。 - **ABA问题**：如果一个变量值由A变为B后又变回A，则其他线程检测不到这一变化，可能导致错误。 - **循环时间过长**：在高并发环境下，频繁的CAS失败可能导致线程长时间处于循环状态，消耗大量CPU资源。 - **解决方法**： - **ABA问题**：通常可以通过引入版本号或者使用原子引用类型如`AtomicStampedReference`等来解决。 - **循环时间过长**：可以通过设置循环次数上限或者采用自旋结合挂起线程的方式来减少CPU开销。 #### 二、ReentrantLock源码分析 - **介绍**：`ReentrantLock`是一个可重入的互斥锁，它支持公平和非公平两种锁策略。与`synchronized`相比，它提供了更多的功能和更好的灵活性。 - **核心组件**： - **Sync**：抽象同步器，继承自`AbstractQueuedSynchronizer`，负责管理锁的状态和排队等待的线程。 - **Condition**：条件变量，支持更复杂的线程间协作。 - **主要方法**： - **lock()**：获取锁。 - **unlock()**：释放锁。 - **tryLock()**：尝试获取锁，可选择是否等待。 #### 三、ReentrantReadWriteLock源码分析 - **特点**：`ReentrantReadWriteLock`支持读写分离，允许多个读锁并发持有但只有一个写锁可以被持有。这可以显著提高读多写少场景下的并发性能。 - **关键特性**： - **读优先**：默认情况下，读操作优先于写操作，多个读锁可以同时获得。 - **写独占**：当有一个写锁时，其他读锁和写锁均不能获得。 - **内部结构**： - **Sync**：抽象同步器，管理读写锁的状态。 - **Node**：用来构建等待队列的节点。 - **主要方法**： - **readLock()**：获取读锁。 - **writeLock()**：获取写锁。 - **unlock()**：释放锁。 #### 四、线程池源码分析 - **核心组件**： - **ExecutorService**：提供了一个高级接口来创建和管理线程。 - **ThreadPoolExecutor**：实现`ExecutorService`接口，是Java中最常用的线程池实现。 - **RejectedExecutionHandler**：拒绝策略，当任务无法被线程池处理时调用。 - **主要参数**： - **corePoolSize**：核心线程数。 - **maximumPoolSize**：最大线程数。 - **keepAliveTime**：空闲线程存活时间。 - **workQueue**：任务队列，用来保存等待执行的任务。 #### 五、ConcurrentHashMap源码分析 - **概述**：`ConcurrentHashMap`是Java提供的线程安全的哈希表实现。它使用分段锁技术来提高并发性能。 - **关键特性**： - **分段锁**：将哈希表分成多个段，每个段使用一个独立的锁。 - **动态扩容**：当哈希表容量不足时自动进行扩容。 - **主要方法**： - **putVal()**：插入元素。 - **resize()**：调整哈希表容量。 #### 六、JUC并发工具 - **CountDownLatch**：使一个或多个线程等待其他线程完成操作。 - **Semaphore**：控制同时访问特定资源的线程数量。 - **CyclicBarrier**：让一组线程等待至某个时间点，当所有线程到达时才全部继续运行。 #### 七、JUC阻塞队列 - **ArrayBlockingQueue**：基于数组的有界阻塞队列。 - **LinkedBlockingQueue**：基于链表的阻塞队列，可以设置容量也可以不限制。 以上总结了多线程面试中的常见问题及解决方案，包括但不限于`synchronized`关键字、CAS算法、`ReentrantLock`、`ReentrantReadWriteLock`、线程池、`ConcurrentHashMap`等核心概念和技术细节。这些知识点对于深入理解并发编程原理至关重要，也是面试中常被提及的内容。