面试系列——java并发

一、使用线程

有三种使用线程的方法：

  • 实现Runnable接口
  • 实现Callable接口
  • 继承Thread类

实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以理解为任务是通过线程驱动从而执行的。

实现Runnable接口

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // ...
    }
}

使用Runnable实例再创建一个Thread实例，然后调用Thread实例的start方法来启动线程。

public static void main(String[] args) {
    MyRunnable instance = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(instance);
    thread.start();
}

实现Callable接口

与Runnable相比，Callable可以有返回值，返回值通过FutureTask进行封装

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    public Integer call() {
        return 123;
    }
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyCallable mc = new MyCallable();
    FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
    Thread thread = new Thread(ft);
    thread.start();
    System.out.println(ft.get());
}

继承 Thread 类

同样是需要实现run()方法，因为Thread类也实现了Runable接口。

当调用start（）方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该线程的run方法。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // ...
    }
}
public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread();
    mt.start();
}

实现接口VS继承Thread

实现接口会更好一些，因为：

  • java不支持多重继承，因此继承了Thread类就无法继承其他类，但是可以实现多个接口
  • 类可能只要求可执行就行，继承整个Thread类开销过大。

二、基础线程机制

线程池有什么作用？

线程池作用就是限制系统中执行线程的数量。

1、提高效率 创建好一定数量的线程放在池中，等需要使用的时候就从池中拿一个，这要比需要的时候创建一个线程对象要快的多。

2、方便管理 可以编写线程池管理代码对池中的线程统一进行管理，比如说启动时有该程序创建100个线程，每当有请求的时候，就分配一个线程去工作，如果刚好并发有101个请求，那多出的这一个请求可以排队等候，避免因无休止的创建线程导致系统崩溃。

Executor

Executor管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作。

主要有三种Executor：

  • CachedThreadPool：一个任务创建一个线程，无限扩大，适合轻负载。
  • FixedThreadPool：所有任务只能使用固定大小的线程，固定线程池，适合重负载。
  • SingleThreadExecutor：相当于大小为1的FixedThreadPool.创建单线程的线程池，适用于需要保证顺序执行各个任务。
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        executorService.execute(new MyRunnable());
    }
    executorService.shutdown();
}

Daemon

守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。

当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。

mian()属于非守护线程。

在线程启动之前使用setDaemon()方法可以将一个线程设置为守护线程。

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
    thread.setDaemon(true);
}

sleep()

Thread.sleep（millisec）方法会休眠当前正在执行的线程，millisec单位为毫秒。

sleep()可能会抛出InterruptedExecption，因为异常不能跨线程传播回main()中，因此必须在本地处理。线程中抛出的其他异常也同样需要在本地进行处理。

public void run() {
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

三、中断

一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。

InterruptedExecption

通过调用一个线程的interrupt()来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断I/O阻塞和suynchronized锁阻塞。

对于以下代码,在main()中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了Thread.sleep()方法， 因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。

public class InterruptExample {

    private static class MyThread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new MyThread1();
    thread1.start();
    thread1.interrupt();
    System.out.println("Main run");
}
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
    at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

Executor 的中断操作

调用Executor的shutdown（）方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是shutdownNow()方法，则相当于调用每个线程的interrupt()方法。

以下使用Lambda创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("Thread run");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    executorService.shutdownNow();
    System.out.println("Main run");
}
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
    at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future<?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。

Future<?> future = executorService.submit(() -> {
    // ..
});
future.cancel(true);

四、互斥同步

java提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是JVM实现的synchronized，而另一个是JDK实现的ReentrantLock。

synchronized

1、同步一个代码块

public void func() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

public class SynchronizedExample {

    public void func1() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e1.func1());
}
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

对于一下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果看出，两个线程交叉执行。

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e2.func1());
}
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

2、同步一个方法

public synchronized void func () {
    // ...
}

它和同步代码块一样，作用于同一个对象

3、同步一个类

public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

public class SynchronizedExample {

    public void func2() {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func2());
    executorService.execute(() -> e2.func2());
}
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4、同步一个静态方法

public synchronized static void fun() {
    // ...
}

作用于整个类。

ReentrantLock

ReentrantLock是java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁。

public class LockExample {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void func() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    LockExample lockExample = new LockExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
}
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

比较

1、锁的实现

synchronized是JVM实现的，而ReentrantLock是JDK实现的。

2、性能

新版本java对synchronized进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized与ReentrantLock大致相同。

3、等待可中断

当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。

4、公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。

synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5、锁绑定多个条件

一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

使用选择

除非使用ReentrantLock的高级功能，否则优先使用synchronized。这是因为synchronized是JVM实现的一种锁机制，JVM原生地支持，而ReentrantLock不是所有的JDK版本都支持。并且使用synchronized不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为JVM会确保锁的释放。
五、线程协作
https://www.cnblogs.com/jimlau/p/12463663.html
六、线程状态
https://www.cnblogs.com/jimlau/p/12463663.html