CS-LogN思維導圖：記錄專業基礎 面試題
開源地址：https://github.com/FISHers6/CS-LogN

多線程與併發基礎

實現多線程

面試題1：有幾種實現線程的方法，分別是什麼

• 1.繼承Thread類，啟動線程的唯一方法就是通過 Thread 類的 start()實例方法，start()方法是一個 native 方法，它將啟動一個新線程去執行 run()方法

• 2.實現 Runnable 接口，重寫run()函數，作為參數放到Thread類構造函數中作為target屬性，運行start()方法

• 線程池創建線程、Callable本質還是使Runnable創建，Callable是父輩類繼承了Runnable，線程池需傳入參數

面試題2：實現Runnable方法好，還是繼承Thread類好

• 實現Runnable接口更好

  • 1.單一繼承原則，如果繼承了Thread，就不能繼承其它類了，限制了可擴展性
  • 2.Thread類每次只能創建一個獨立的線程，損耗大，而Runnable能利用線程池工具來創建線程
  • 3.從代碼架構上看，run內容應該與Trhead代碼解耦

面試題3：一個線程兩次調用start方法會出現什麼情況(考察源碼)

• 第二次會出現異常，從start源碼上和線程生命周期上分析，一個線程start后，
  改變了threadState狀態字；而第二次再start每次會先檢查這個狀態不是0就報異常

面試題4：既然start方法會調用run方法，為什麼我們還是要用start方法，而不是直接調用run方法呢(考察源碼)

• 因為start后線程才會經過完整的線程生命周期，start調用native start0，虛擬機執startThread，thread_entry入口中調用Thread的run，

面試題5：start和run有什麼區別

• run()方法:只是普通的方法，調用run普通方法，可以重複多次調用
• start()方法，會啟動一個線程，使得虛擬機去調用Runnable對象的run()方法，不能多次啟動同一個線程

面試題6：start方法如何調用run方法的(考察源碼和JVM)

• start方法調用native start0，JVM虛擬機執行startThread，在thread_entry中調用Thread的run方法

面試題7：如何正確停止線程

• 使用interrupt中斷通知，而不是強制，中斷通知後會讓被停止線程去決定何時停止，即把主動權交給需要被中斷的線程

線程的生命周期

面試題1：Java線程有哪幾種狀態 說說生命周期

• 六種生命狀態(若time_waiting也算一種)

  • New，已創建但還尚未啟動的新線程
  • Runable，可運行狀態；對應操作系統的兩種狀態“就緒態” 和 “運行態”(分配到CPU)
  • Blocked，阻塞狀態；請求synchronized鎖未分配到時阻塞，直到獲取到monitor鎖再進入Runnable
  • Waiting，等待狀態
  • Timed waiting，限期等待
  • Terminated終止狀態

• 線程的生命周期 狀態轉換圖

Thread和Object類中

與線程相關的重要方法

面試題1：實現兩個線程交替打印奇數偶數

面試題2：手寫生產者消費者設計模式，為什麼用該模式

• 主要是為了解耦，匹配不同的能力

面試題3：wait后發生了什麼，為什麼需要在同步代碼內才能使用

• 從jvm的源碼實現上看，wait后，線程讓出佔有的cpu並釋放同步資源鎖；把自己加入到等待池，以後不會再主動參与cpu的競爭，除非被其它notify命中
• 為了確保線程安全；另外wait會釋放資源，所以肯定要先拿到這個鎖，能進入同步代碼塊已經拿到了鎖

面試題4：為什麼線程通信的方法wait，notify和notifyAll放在Object類，而sleep定義在Thread類里 (考察對象鎖)

• 與對象的鎖有關，對象鎖綁定在對象的對象頭中，且放在Object里，使每個線程都可以持有多個對象的鎖

面試題5：wait方法是屬於Object對象的，那調用Thread.wait會怎麼樣

• 線程死的時候會自己notifyAll，釋放掉所有的持有自己對象的鎖。這個機制是實現很多同步方法的基礎。如果調用Thrad.wait，干擾了我們設計的同步業務流程

面試題6：如何選擇notify還是notifyAll

• 優先選用notifyAll，喚醒所有線程；除非業務需要每次只喚醒一個線程的

面試題7：notfiy后發生的操作，notifyAll之後所有的線程都會再次搶奪鎖，如果某線程搶奪失敗怎麼辦？

• notify后，讓waiterSet等待池中的一個線程與entry_List鎖池一級活躍線程一起競爭CPU
• 搶奪鎖失敗後會繼續待在原鎖池或原等待池，等待競爭CPU的調度

面試題8：sleep方法與notify/wait方法的異同點

• 相同點：線程都會進入waiting狀態，都可以響應中斷
• 不同點：1.所屬類不同；2.wait/notify必須用在同步方法中，且會釋放鎖；3.sleep可以指定時間

面試題9：join方法後父線程進入什麼狀態

• waiting狀態，join內部調用wait，子線程結束后自動調用notifyAll喚醒(jvm:exit函數)

線程安全與性能

面試題1：守護線程和普通線程的區別

• 守護線程是服務於普通線程的，並且不會影響到jvm的退出

面試題2：什麼是線程安全

• 不管業務中遇到怎樣的多個線程訪問某對象或某方法的情況，而在編程這個業務邏輯的時候，都不需要再額外做任何額外的處理（也就是可以像單線程編程一樣），程序也可以正常運行（不會因為多線程而出錯），就可以稱為線程安全

面試題3：有哪些線程不安全的情況，什麼原因導致的

• 1.數據爭用、同時操作，如數據讀寫由於同時寫，非原子性操作導致運行結果錯誤，a++
• 2.存在競爭，順序不當，如死鎖、活鎖、飢餓

面試題4：什麼是多線程的上下文切換，及導致的後果

• 進程線程切換要保存所需要的CPU運行環境，如寄存器、棧、全局變量等資源
• 在頻繁的io以及搶鎖的時候，會導緻密集的上下文切換，多線程切換時，由於緩存和上下文的切換會帶來性能問題

面試題5：多線程導致的開銷有哪些

• 1.上下文切換開銷，如保存緩存(cache、快表等)的開銷

• 2.同步協作的開銷(java內存模型)

  • 為了數據的正確性，同步手段往往會使用禁止編譯器優化(如指令重排序優化、鎖粗化等)，性能變差
  • 使CPU內的緩存失效(比如volatile可見性讓自己線程的緩存失效后，必須使用主存來查看數據)

Java內存模型

面試題1：Java的代碼如何一步步轉化，最終被CPU執行的

• 1. 最開始，我們編寫的Java代碼，是*.java文件

1. 在編譯（javac命令）后，從剛才的.java文件會變出一個新的Java字節碼文件.class
2. JVM會執行剛才生成的字節碼文件（*.class），並把字節碼文件轉化為機器指令
3. 機器指令可以直接在CPU上執運行，也就是最終的程序執行

• JVM實現會帶來不同的“翻譯”，不同的CPU平台的機器指令又千差萬別，無法保證併發安全的效果一致

面試題2：單例模式的作用和適用場景

• 單例模式：只獲取一次資源，全程序通用，節省內存和計算；保證多線程計算結果正確；方便管理；
  比如日期工具類只需要一個實例就可以，無需多個示例

面試題3：單例模式的寫法，考察(重排序、單例和高併發的關係)

• 餓漢式（靜態常量、靜態代碼塊）

  • 原理1：static靜態常量在類加載的時候就初始化完成了，且由jvm保證線程安全，保證了變量唯一
  • 原理2：靜態代碼塊中實例化和靜態常量類似；放在靜態代碼塊里初始化，類加載時完成；
  • 特徵：簡單，但沒有懶加載(需要時再加載)

• 懶漢式（加synchronized鎖）

  • 對初始化的方法加synchronized鎖達到線程安全的目的，但效率低，多線程下變成了同步
  • 懶漢式取名：用到的時候才去加載

• 雙重檢查

  • 代碼實現

    • 屬性加volatile，兩次if判斷NULL值，第二次前加類鎖

  • 優點

    • 線程安全；延遲加載；效率高

  • 為什麼用雙重而不用單層

    • 從線程安全方面、效率方面講

• 靜態內部類

  • 需要理解靜態內部類的優點，懶漢式加載，jvm加載順序

• 枚舉

  • 代碼實現簡單

    • public enum Singleton{
      INSTANCE;
      public void method(){}
      }

  • 保證了線程安全

    • 枚舉是一個特殊的類，經過反編譯查看，枚舉最終被編譯成一個final的類，繼承了枚舉父類。各個實例通過static定義，本質就是一個靜態的對象，所有第一次使用的時候採取加載(懶加載)

  • 避免反序列化破壞單例

    • 避免了：比如用反射就繞過了構造方法，反序列化出多個實例

面試題4：單例模式各種寫法分別適用的場合

• 1.最好的方法是枚舉，因枚舉被編譯成final類，用static定義靜態對象，懶加載。既保證了線程安全又避免了反序列化破壞單例
• 2.如果程序一開始要加載的資源太多，考慮到啟動速度，就應該使用懶加載
• 3.如果是對象的創建需要配置文件(一開始要加載其它資源)，就不適合用餓漢式

面試題5：餓漢式單例的缺點

• 沒有懶加載(初始化時全部加載出)，初始化開銷大

面試題6：懶漢式單例的缺點

• 雖然用到的時候才去加載，但是由於加鎖，性能低

面試題7：單例模式的雙重檢查寫法為什麼要用double-check

• 從代碼實現出發，保證線程安全、延遲加載效率高

面試題8：為什麼雙重檢查要用volatile

• 1.保證instance的可見性

  • 類初始化分成3條指令，重排序帶來NPE空虛指針問題，加volatile防止重排序

• 2.防止初始化指令重排序

面試題9：講一講什麼是Java的內存模型

• 1.是一組規範，需要JVM實現遵守這個規範，以便實現安全的多線程程序
  2.volatile、synchronized、Lock等同步工具和關鍵字實現原理都用到了JMM
  3.重排序、內存可見性、原子性

面試題10：什麼是happens-before，規則有哪些

• 解決可見性問題的：在時間上，動作A發生在動作B之前，B保證能看見A，這就是happens-before

• 規則

  • 1 單線程按代碼順序規則；2 鎖操作（synchronized和Lock）；3volatile變量；4.JUC工具類的Happens-Before原則
  • 5.線程啟動時子線程啟動前能看到主線程run的所有內容；6.線程join主線程一定要等待子線程完成后再去做後面操作
  • 7.傳遞性 8.中斷檢測 9.對象構造方法的最後一行指令 happens-before 於 finalize() 方法的第一行指令

面試題11：講一講volatile關鍵字

• volatile是一種同步機制，比synchronized或者Lock相關類更輕量，因為使用volatile並不會發生上下文切換等開銷很大的行為。而加鎖時對象鎖會阻塞開銷大。
• 可見性，如果一個變量別修飾成volatile，那麼JVM就知道了這個變量可能會被併發修改；
• 不能保證原子性

面試題12：volatile的適用場合及作用

• 作用

  • 1.保證可見性 2.禁止指令重排序(單例雙重鎖時)

• 適合場景

  • 適用場合1：boolean flag，布爾具有原子性，可再由volatile保證其可見性
  • 適用場合2：作為刷新之前變量的觸發器
  • 但不適合非原子性操作如：a++等

面試題13：volatile和synchronized的異同

• 1 性能開銷方面: 鎖開銷更大，volatile無加鎖阻塞開銷
  2 作用方面:volatile只能保證可見性，鎖既能保證可見性，又能保證原子性

面試題14：什麼是內存可見性問題，為什麼存在

• 多線程下，一個線程修改共享數據后，其它線程能否感知到修改了數據的線程的變化
• CPU有多級緩存，導致讀的數據過期，各處理機有獨自的緩存未及時更新時，與主存內容不一致

面試題15：主內存和本地內存的關係是什麼

• Java 作為高級語言，屏蔽了CPU cache等底層細節，用 JMM 定義了一套讀寫內存數據的規範，雖然我們不再需要關心一級緩存和二級緩存的問題，但是，JMM 抽象了主內存和本地內存的概念。
• 線程擁有自己的本地內存，並共享主內存的數據；線程讀寫共享數據也是通過本地內存交換的，所以才導致了可見性問題。

面試題16：什麼是原子操作，Java的原子操作有哪些

• 原子操作

  • 一系列的操作，要麼全部執行成功，要麼全部不執行，不會出現執行一半的情況，是不可分割的。

• 1）除long和double之外的基本類型（int, byte, boolean, short, char, float）的”賦值操作”

• 2）所有”引用reference的賦值操作”，不管是 32 位的機器還是 64 位的機器

• 3）java.concurrent.Atomic.* 包中所有類的原子操作

面試題17：long 和 double 的原子性你了解嗎

• 在32位上的JVM上，long 和 double的操作不是原子的，但是在64位的JVM上是原子的。
• 在32位機器上一次只能讀寫32位；而浮點數、long型有8字節64位；要分高32位和低32位兩條指令分開寫入，類似彙編語言浮點數乘法分高低位寄存器；64位不用分兩次讀寫了

面試題18：生成對象的過程是不是原子操作

• 不是，對象生成會生成分配空間、初始化、賦值，三條指令，有可能會被重排序，導致空指針

面試題19：區分JVM內存結構、Java內存模型 、Java對象模型

• Java內存模型，和Java的併發編程有關

  • 詳見面試題9

• JVM內存結構，和Java虛擬機的運行時區域(堆棧)有關

  • 堆區、方法區(存放常量池 引用 類信息)
    棧區、本地方法棧、程序計數器

• Java對象模型，和Java對象在虛擬機中的表現形式有關

  • 是Java對象自身的存儲模型，在方法區中Kclass類信息(虛函數表)，在堆中存放new實例，在線程棧中存放引用，OOP-Klass Model

面試題20：什麼是重排序

• 指令實際執行順序和代碼在java文件中的順序不一致
• 重排序的好處：提高處理速度，包括編譯器優化、指令重排序(局部性原理)

死鎖

面試題1：寫一個必然死鎖的例子

• synchronized嵌套，構成請求循環

面試題2：生產中什麼場景下會發生死鎖

• 併發中多線程互不相讓：當兩個（或更多）線程（或進程）相互持有對方所需要的資源，又不主動釋放，導致所有人都無法繼續前進，導致程序陷入無盡的阻塞，這就是死鎖。

面試題3：發生死鎖必須滿足哪些條件

• 1.互斥
• 2.請求和保持
• 3.不可剝奪
• 4.存儲循環等待鏈

面試題4：如何用工具定位死鎖

• 1.jstack命令在程序發生死鎖后，進行堆棧分析出死鎖線程
• 2.ThreadMXbean 程序運行中發現死鎖，一旦發現死鎖可以讓用戶去打日誌

面試題5：有哪些解決死鎖問題的策略

• 1.死鎖語法，不讓死鎖發生

  • 破壞死鎖的四個條件之一；如：哲學家換手、轉賬換序

• 2.死鎖避免

  • 銀行家算法、系統安全序列

• 3.死鎖檢查與恢復

  • 適用資源請求分配圖，一段時間內檢查死鎖，有死鎖就恢復策略，採用恢復策略；
  • 恢復方法：進程終止 、資源剝奪

• 4.鴕鳥策略(忽略死鎖)

  • 先忽略，後期再讓人工恢復

面試題6：死鎖避免策略和檢測與恢復策略的主要思路是什麼

• 死鎖語法

  • 破壞死鎖的四大條件之一

• 死鎖避免

  • 找到安全序列，銀行家算法

• 死鎖檢測與恢復

  • 資源請求分配圖

面試題7：講一講經典的哲學家就餐問題，如何解決死鎖

• 什麼時候死鎖

  • 哲學家各拿起自己左手邊的筷子，又去請求拿右手邊筷子循環請求時而阻塞

• 如何解決死鎖

  • 1.一次兩隻筷子，形成原子性操作
  • 2.只允許4個人拿有筷子

面試題8：實際開發中如何避免死鎖

• 設置超時時間
• 多使用併發類而不是自己設計鎖
• 盡量降低鎖的使用粒度：用不同的鎖而不是一個鎖，鎖的範圍越小越好
• 避免鎖的嵌套：MustDeadLock類
• 分配資源前先看能不能收回來：銀行家算法
• 盡量不要幾個功能用同一把鎖：專鎖專用
• 給你的線程起個有意義的名字：debug和排查時事半功倍，框架和JDK都遵守這個最佳實踐

面試題9：什麼是活躍性問題？活鎖、飢餓和死鎖有什麼區別

• 活鎖

  • 雖然線程並沒有阻塞，也始終在運行（所以叫做“活”鎖，線程是“活”的），但是程序卻得不到進展，因為線程始終互相謙讓，重複做同樣的事

  • 工程中的活鎖實例：消息隊列，消息如果處理失敗，就放在隊列開頭重試，沒阻塞程序無法繼續

  • 如何解決活鎖問題

    • 加入隨機因素，以太網的指數退避算法

• 飢餓

  • 當線程需要某些資源（例如CPU），但是卻始終得不到，可能原因是飢餓線程的優先級過低

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