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前言

個人珍藏的80道Java多線程/并發經典面試題，因為篇幅太長，現在先給出1-10的答案解析哈，后面一起完善，并且上傳github哈~

https://github.com/whx123/JavaHome

「公眾號：撿田螺的小男孩」

1. synchronized的實現原理以及鎖優化？

synchronized的實現原理

synchronized作用于「方法」或者「代碼塊」，保證被修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問。
synchronized修飾代碼塊時，JVM采用「monitorenter、monitorexit」兩個指令來實現同步
synchronized修飾同步方法時，JVM采用「ACC_SYNCHRONIZED」標記符來實現同步
monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是「基于Monitor實現」的
實例對象里有對象頭，對象頭里面有Mark Word，Mark Word指針指向了「monitor」
Monitor其實是一種「同步工具」，也可以說是一種「同步機制」。
在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由「ObjectMonitor實現」的。ObjectMonitor體現出Monitor的工作原理~

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">ObjectMonitor() { _header = NULL; _count = 0; // 記錄線程獲取鎖的次數 _waiters = 0, _recursions = 0; //鎖的重入次數 _object = NULL; _owner = NULL; // 指向持有ObjectMonitor對象的線程 _WaitSet = NULL; // 處于wait狀態的線程，會被加入到_WaitSet _WaitSetLock = 0 ; _Responsible = NULL ; _succ = NULL ; _cxq = NULL ; FreeNext = NULL ; _EntryList = NULL ; // 處于等待鎖block狀態的線程，會被加入到該列表 _SpinFreq = 0 ; _SpinClock = 0 ; OwnerIsThread = 0 ; } </pre>

ObjectMonitor的幾個關鍵屬性 _count、_recursions、_owner、_WaitSet、 _EntryList 體現了monitor的工作原理

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鎖優化

在討論鎖優化前，先看看JAVA對象頭(32位JVM)中Mark Word的結構圖吧~

image

Mark Word存儲對象自身的運行數據，如「哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態標志、偏向時間戳（Epoch）」 等，為什么區分「偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖」等幾種鎖狀態呢？

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在JDK1.6之前，synchronized的實現直接調用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之為「重量級鎖」。從JDK6開始，HotSpot虛擬機開發團隊對Java中的鎖進行優化，如增加了適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等優化策略。

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偏向鎖：在無競爭的情況下，把整個同步都消除掉，CAS操作都不做。
輕量級鎖：在沒有多線程競爭時，相對重量級鎖，減少操作系統互斥量帶來的性能消耗。但是，如果存在鎖競爭，除了互斥量本身開銷，還額外有CAS操作的開銷。
自旋鎖：減少不必要的CPU上下文切換。在輕量級鎖升級為重量級鎖時，就使用了自旋加鎖的方式
鎖粗化：將多個連續的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖。

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舉個例子，買門票進動物園。老師帶一群小朋友去參觀，驗票員如果知道他們是個集體，就可以把他們看成一個整體（鎖租化），一次性驗票過，而不需要一個個找他們驗票。

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鎖消除:虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行削除。

有興趣的朋友們可以看看我這篇文章： Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心^[1]

2. ThreadLocal原理，使用注意點，應用場景有哪些？

回答四個主要點：

ThreadLocal是什么?
ThreadLocal原理
ThreadLocal使用注意點
ThreadLocal的應用場景

ThreadLocal是什么?

ThreadLocal，即線程本地變量。如果你創建了一個ThreadLocal變量，那么訪問這個變量的每個線程都會有這個變量的一個本地拷貝，多個線程操作這個變量的時候，實際是操作自己本地內存里面的變量，從而起到線程隔離的作用，避免了線程安全問題。

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">//創建一個ThreadLocal變量 static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>(); </pre>

ThreadLocal原理

ThreadLocal內存結構圖：

image

由結構圖是可以看出：

Thread對象中持有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap的成員變量。
ThreadLocalMap內部維護了Entry數組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

對照著幾段關鍵源碼來看，更容易理解一點哈~

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">public class Thread implements Runnable { //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的屬性 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null; } </pre>

ThreadLocal中的關鍵方法set()和get()

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"> public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); //獲取當前線程t ThreadLocalMap map = getMap(t); //根據當前線程獲取到ThreadLocalMap if (map != null) map.set(this, value); //K，V設置到ThreadLocalMap中 else createMap(t, value); //創建一個新的ThreadLocalMap } public T get() { Thread t = Thread.currentThread();//獲取當前線程t ThreadLocalMap map = getMap(t);//根據當前線程獲取到ThreadLocalMap if (map != null) { //由this（即ThreadLoca對象）得到對應的Value，即ThreadLocal的泛型值 ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } return setInitialValue(); } </pre>

ThreadLocalMap的Entry數組

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">static class ThreadLocalMap { static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } } } </pre>

所以怎么回答「ThreadLocal的實現原理」？如下，最好是能結合以上結構圖一起說明哈~

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Thread類有一個類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的實例變量threadLocals，即每個線程都有一個屬于自己的ThreadLocalMap。

ThreadLocalMap內部維護著Entry數組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

每個線程在往ThreadLocal里設置值的時候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，讀也是以某個ThreadLocal作為引用，在自己的map里找對應的key，從而實現了線程隔離。

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ThreadLocal 內存泄露問題

先看看一下的TreadLocal的引用示意圖哈，

image

ThreadLocalMap中使用的 key 為 ThreadLocal 的弱引用，如下

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弱引用：只要垃圾回收機制一運行，不管JVM的內存空間是否充足，都會回收該對象占用的內存。

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弱引用比較容易被回收。因此，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是因為ThreadLocalMap生命周期和Thread是一樣的，它這時候如果不被回收，就會出現這種情況：ThreadLocalMap的key沒了，value還在，這就會「造成了內存泄漏問題」。

如何「解決內存泄漏問題」？使用完ThreadLocal后，及時調用remove()方法釋放內存空間。

ThreadLocal的應用場景

數據庫連接池
會話管理中使用

3. synchronized和ReentrantLock的區別？

我記得校招的時候，這道面試題出現的頻率還是挺高的~可以從鎖的實現、功能特點、性能等幾個維度去回答這個問題，

「鎖的實現：」 synchronized是Java語言的關鍵字，基于JVM實現。而ReentrantLock是基于JDK的API層面實現的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 語句塊來完成。）
「性能：」 在JDK1.6鎖優化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6開始，增加了適應性自旋、鎖消除等，兩者性能就差不多了。
「功能特點：」 ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能，如等待可中斷、可實現公平鎖、可實現選擇性通知。

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ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現這個機制。

ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。

synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結合實現等待/通知機制，ReentrantLock類借助Condition接口與newCondition()方法實現。

ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖，一般跟finally配合釋放鎖。而synchronized不用手動釋放鎖。

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4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區別

CountDownLatch：一個或者多個線程，等待其他多個線程完成某件事情之后才能執行;
CyclicBarrier：多個線程互相等待，直到到達同一個同步點，再繼續一起執行。

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舉個例子吧：

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CountDownLatch：假設老師跟同學約定周末在公園門口集合，等人齊了再發門票。那么，發門票（這個主線程），需要等各位同學都到齊（多個其他線程都完成），才能執行。

CyclicBarrier:多名短跑運動員要開始田徑比賽，只有等所有運動員準備好，裁判才會鳴槍開始，這時候所有的運動員才會疾步如飛。

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5. Fork/Join框架的理解

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Fork/Join框架是Java7提供的一個用于并行執行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果后得到大任務結果的框架。

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Fork/Join框架需要理解兩個點，「分而治之」和「工作竊取算法」。

「分而治之」

以上Fork/Join框架的定義，就是分而治之思想的體現啦

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「工作竊取算法」

把大任務拆分成小任務，放到不同隊列執行，交由不同的線程分別執行時。有的線程優先把自己負責的任務執行完了，其他線程還在慢慢悠悠處理自己的任務，這時候為了充分提高效率，就需要工作盜竊算法啦~

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工作盜竊算法就是，「某個線程從其他隊列中竊取任務進行執行的過程」。一般就是指做得快的線程（盜竊線程）搶慢的線程的任務來做，同時為了減少鎖競爭，通常使用雙端隊列，即快線程和慢線程各在一端。

6. 為什么我們調用start()方法時會執行run()方法，為什么我們不能直接調用run()方法？

看看Thread的start方法說明哈~

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"> `/**

Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
calls the <code>run</code> method of this thread.
<p>
The result is that two threads are running concurrently: the
current thread (which returns from the call to the
<code>start</code> method) and the other thread (which executes its
<code>run</code> method).
<p>
It is never legal to start a thread more than once.
In particular, a thread may not be restarted once it has completed
execution.
@exception IllegalThreadStateException if the thread was already
```
          started.
```
@see #run()
@see #stop()
*/
public synchronized void start() {
......
}` </pre>

JVM執行start方法，會另起一條線程執行thread的run方法，這才起到多線程的效果~ 「為什么我們不能直接調用run()方法？」 如果直接調用Thread的run()方法，其方法還是運行在主線程中，沒有起到多線程效果。

7. CAS？CAS 有什么缺陷，如何解決？

CAS,Compare and Swap，比較并交換；

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CAS 涉及3個操作數，內存地址值V，預期原值A，新值B；如果內存位置的值V與預期原A值相匹配，就更新為新值B，否則不更新

?

CAS有什么缺陷？

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「ABA 問題」

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并發環境下，假設初始條件是A，去修改數據時，發現是A就會執行修改。但是看到的雖然是A，中間可能發生了A變B，B又變回A的情況。此時A已經非彼A，數據即使成功修改，也可能有問題。

?

可以通過AtomicStampedReference「解決ABA問題」，它，一個帶有標記的原子引用類，通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。

「循環時間長開銷」

?

自旋CAS，如果一直循環執行，一直不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。

?

很多時候，CAS思想體現，是有個自旋次數的，就是為了避開這個耗時問題~

「只能保證一個變量的原子操作。」

?

CAS 保證的是對一個變量執行操作的原子性，如果對多個變量操作時，CAS 目前無法直接保證操作的原子性的。

?

可以通過這兩個方式解決這個問題：

?

使用互斥鎖來保證原子性；

將多個變量封裝成對象，通過AtomicReference來保證原子性。

?

有興趣的朋友可以看看我之前的這篇實戰文章哈~ CAS樂觀鎖解決并發問題的一次實踐^[2]

9. 如何保證多線程下i++ 結果正確？

image

使用循環CAS，實現i++原子操作
使用鎖機制，實現i++原子操作
使用synchronized，實現i++原子操作

沒有代碼demo，感覺是沒有靈魂的~ 如下：

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">`/**

@Author 撿田螺的小男孩
*/
public class AtomicIntegerTest {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
testIAdd();
}
private static void testIAdd() throws InterruptedException {
//創建線程池
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
executorService.execute(() -> {
for (int j = 0; j < 2; j++) {
//自增并返回當前值
int andIncrement = atomicInteger.incrementAndGet();
System.out.println("線程:" + Thread.currentThread().getName() + " count=" + andIncrement);
}
});
}
executorService.shutdown();
Thread.sleep(100);
System.out.println("最終結果是：" + atomicInteger.get());
}
}` </pre>

運行結果：

<pre class="custom" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;">... 線程:pool-1-thread-1 count=1997 線程:pool-1-thread-1 count=1998 線程:pool-1-thread-1 count=1999 線程:pool-1-thread-2 count=315 線程:pool-1-thread-2 count=2000 最終結果是：2000 </pre>

10. 如何檢測死鎖？怎么預防死鎖？死鎖四個必要條件

死鎖是指多個線程因競爭資源而造成的一種互相等待的僵局。如圖感受一下：

image

「死鎖的四個必要條件：」

互斥：一次只有一個進程可以使用一個資源。其他進程不能訪問已分配給其他進程的資源。
占有且等待：當一個進程在等待分配得到其他資源時，其繼續占有已分配得到的資源。
非搶占：不能強行搶占進程中已占有的資源。
循環等待：存在一個封閉的進程鏈，使得每個資源至少占有此鏈中下一個進程所需要的一個資源。

「如何預防死鎖？」

加鎖順序（線程按順序辦事）
加鎖時限（線程請求所加上權限，超時就放棄，同時釋放自己占有的鎖）
死鎖檢測

參考與感謝

牛頓說，我之所以看得遠，是因為我站在巨人的肩膀上~ 謝謝以下各位前輩哈~

面試必問的CAS，你懂了嗎？^[3]
Java多線程：死鎖^[4]
ReenTrantLock可重入鎖（和synchronized的區別）總結^[5]
聊聊并發（八）——Fork/Join 框架介紹^[6]

個人公眾號

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覺得寫得好的小伙伴給個點贊+關注啦，謝謝~
如果有寫得不正確的地方，麻煩指出，感激不盡。
同時非常期待小伙伴們能夠關注我公眾號，后面慢慢推出更好的干貨~嘻嘻
github地址：https://github.com/whx123/JavaHome

Reference

[1]

Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心: https://juejin.im/post/5d5374076fb9a06ac76da894#comment [2]

CAS樂觀鎖解決并發問題的一次實踐: https://juejin.im/post/5d0616ade51d457756536791 [3]

面試必問的CAS，你懂了嗎？: https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/79561458 [4]

Java多線程：死鎖: https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/8311034.html [5]

ReenTrantLock可重入鎖（和synchronized的區別）總結: https://blog.csdn.net/qq838642798/article/details/65441415 [6]

聊聊并發（八）——Fork/Join 框架介紹: https://www.infoq.cn/article/fork-join-introduction

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個人珍藏的80道多線程并發面試題（1-10答案解析）

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前言

1. synchronized的實現原理以及鎖優化？

synchronized的實現原理

鎖優化

2. ThreadLocal原理，使用注意點，應用場景有哪些？

ThreadLocal是什么?

ThreadLocal原理

ThreadLocal 內存泄露問題

ThreadLocal的應用場景

3. synchronized和ReentrantLock的區別？

4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區別

5. Fork/Join框架的理解

6. 為什么我們調用start()方法時會執行run()方法，為什么我們不能直接調用run()方法？

7. CAS？CAS 有什么缺陷，如何解決？

9. 如何保證多線程下i++ 結果正確？

10. 如何檢測死鎖？怎么預防死鎖？死鎖四個必要條件

參考與感謝

個人公眾號

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1. synchronized的實現原理以及鎖優化？

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3. synchronized和ReentrantLock的區別？

4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區別

5. Fork/Join框架的理解

6. 為什么我們調用start()方法時會執行run()方法，為什么我們不能直接調用run()方法？

7. CAS？CAS 有什么缺陷，如何解決？

9. 如何保證多線程下i++ 結果正確？

10. 如何檢測死鎖？怎么預防死鎖？死鎖四個必要條件

參考與感謝

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