摘要：多線(xiàn)程和并發(fā)問(wèn)題是技術(shù)面試中面試官比較喜歡問(wèn)的問(wèn)題之一。線(xiàn)程可以被稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程。一個(gè)守護(hù)線(xiàn)程是在后臺(tái)執(zhí)行并且不會(huì)阻止終止的線(xiàn)程。其他的線(xiàn)程狀態(tài)還有，和。上下文切換是多任務(wù)操作系統(tǒng)和多線(xiàn)程環(huán)境的基本特征。

多線(xiàn)程和并發(fā)問(wèn)題是 Java 技術(shù)面試中面試官比較喜歡問(wèn)的問(wèn)題之一。在這里，從面試的角度列出了大部分重要的問(wèn)題，但是你仍然應(yīng)該牢固的掌握J(rèn)ava多線(xiàn)程基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)對(duì)應(yīng)日后碰到的問(wèn)題。（校對(duì)注：非常贊同這個(gè)觀點(diǎn)）

一個(gè)進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立(self contained)的運(yùn)行環(huán)境，它可以被看作一個(gè)程序或者一個(gè)應(yīng)用。而線(xiàn)程是在進(jìn)程中執(zhí)行的一個(gè)任務(wù)。Java運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)包含了不同的類(lèi)和程序的單一進(jìn)程。線(xiàn)程可以被稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程。線(xiàn)程需要較少的資源來(lái)創(chuàng)建和駐留在進(jìn)程中，并且可以共享進(jìn)程中的資源。

在多線(xiàn)程程序中，多個(gè)線(xiàn)程被并發(fā)的執(zhí)行以提高程序的效率，CPU不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)線(xiàn)程需要等待資源而進(jìn)入空閑狀態(tài)。多個(gè)線(xiàn)程共享堆內(nèi)存(heap memory)，因此創(chuàng)建多個(gè)線(xiàn)程去執(zhí)行一些任務(wù)會(huì)比創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程更好。舉個(gè)例子，Servlets比CGI更好，是因?yàn)镾ervlets支持多線(xiàn)程而CGI不支持。

當(dāng)我們?cè)贘ava程序中創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，它就被稱(chēng)為用戶(hù)線(xiàn)程。一個(gè)守護(hù)線(xiàn)程是在后臺(tái)執(zhí)行并且不會(huì)阻止JVM終止的線(xiàn)程。當(dāng)沒(méi)有用戶(hù)線(xiàn)程在運(yùn)行的時(shí)候，JVM關(guān)閉程序并且退出。一個(gè)守護(hù)線(xiàn)程創(chuàng)建的子線(xiàn)程依然是守護(hù)線(xiàn)程。

有兩種創(chuàng)建線(xiàn)程的方法：一是實(shí)現(xiàn)Runnable接口，然后將它傳遞給Thread的構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)Thread對(duì)象；二是直接繼承Thread類(lèi)。若想了解更多可以閱讀這篇關(guān)于如何在Java中創(chuàng)建線(xiàn)程的文章。

當(dāng)我們?cè)贘ava程序中新建一個(gè)線(xiàn)程時(shí)，它的狀態(tài)是New。當(dāng)我們調(diào)用線(xiàn)程的start()方法時(shí)，狀態(tài)被改變?yōu)镽unnable。線(xiàn)程調(diào)度器會(huì)為Runnable線(xiàn)程池中的線(xiàn)程分配CPU時(shí)間并且講它們的狀態(tài)改變?yōu)镽unning。其他的線(xiàn)程狀態(tài)還有Waiting，Blicked 和Dead。讀這篇文章可以了解更多關(guān)于線(xiàn)程生命周期的知識(shí)。

當(dāng)然可以，但是如果我們調(diào)用了Thread的run()方法，它的行為就會(huì)和普通的方法一樣，為了在新的線(xiàn)程中執(zhí)行我們的代碼，必須使用Thread.start()方法。

我們可以使用Thread類(lèi)的Sleep()方法讓線(xiàn)程暫停一段時(shí)間。需要注意的是，這并不會(huì)讓線(xiàn)程終止，一旦從休眠中喚醒線(xiàn)程，線(xiàn)程的狀態(tài)將會(huì)被改變?yōu)镽unnable，并且根據(jù)線(xiàn)程調(diào)度，它將得到執(zhí)行。

每一個(gè)線(xiàn)程都是有優(yōu)先級(jí)的，一般來(lái)說(shuō)，高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程在運(yùn)行時(shí)會(huì)具有優(yōu)先權(quán)，但這依賴(lài)于線(xiàn)程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)是和操作系統(tǒng)相關(guān)的(OS dependent)。我們可以定義線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)，但是這并不能保證高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程會(huì)在低優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程前執(zhí)行。線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)是一個(gè)int變量(從1-10)，1代表最低優(yōu)先級(jí)，10代表最高優(yōu)先級(jí)。

線(xiàn)程調(diào)度器是一個(gè)操作系統(tǒng)服務(wù)，它負(fù)責(zé)為Runnable狀態(tài)的線(xiàn)程分配CPU時(shí)間。一旦我們創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程并啟動(dòng)它，它的執(zhí)行便依賴(lài)于線(xiàn)程調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)。時(shí)間分片是指將可用的CPU時(shí)間分配給可用的Runnable線(xiàn)程的過(guò)程。分配CPU時(shí)間可以基于線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)或者線(xiàn)程等待的時(shí)間。線(xiàn)程調(diào)度并不受到Java虛擬機(jī)控制，所以由應(yīng)用程序來(lái)控制它是更好的選擇（也就是說(shuō)不要讓你的程序依賴(lài)于線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)）。

上下文切換是存儲(chǔ)和恢復(fù)CPU狀態(tài)的過(guò)程，它使得線(xiàn)程執(zhí)行能夠從中斷點(diǎn)恢復(fù)執(zhí)行。上下文切換是多任務(wù)操作系統(tǒng)和多線(xiàn)程環(huán)境的基本特征。

我們可以使用Thread類(lèi)的joint()方法來(lái)確保所有程序創(chuàng)建的線(xiàn)程在main()方法退出前結(jié)束。這里有一篇文章關(guān)于Thread類(lèi)的joint()方法 。

當(dāng)線(xiàn)程間是可以共享資源時(shí)，線(xiàn)程間通信是協(xié)調(diào)它們的重要的手段。Object類(lèi)中wait() otify() otifyAll()方法可以用于線(xiàn)程間通信關(guān)于資源的鎖的狀態(tài)。點(diǎn)擊這里有更多關(guān)于線(xiàn)程wait, notify和notifyAll.

Java的每個(gè)對(duì)象中都有一個(gè)鎖(monitor，也可以成為監(jiān)視器) 并且wait()，notify()等方法用于等待對(duì)象的鎖或者通知其他線(xiàn)程對(duì)象的監(jiān)視器可用。在Java的線(xiàn)程中并沒(méi)有可供任何對(duì)象使用的鎖和同步器。這就是為什么這些方法是Object類(lèi)的一部分，這樣Java的每一個(gè)類(lèi)都有用于線(xiàn)程間通信的基本方法

當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程需要調(diào)用對(duì)象的wait()方法的時(shí)候，這個(gè)線(xiàn)程必須擁有該對(duì)象的鎖，接著它就會(huì)釋放這個(gè)對(duì)象鎖并進(jìn)入等待狀態(tài)直到其他線(xiàn)程調(diào)用這個(gè)對(duì)象上的notify()方法。同樣的，當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程需要調(diào)用對(duì)象的notify()方法時(shí)，它會(huì)釋放這個(gè)對(duì)象的鎖，以便其他在等待的線(xiàn)程就可以得到這個(gè)對(duì)象鎖。由于所有的這些方法都需要線(xiàn)程持有對(duì)象的鎖，這樣就只能通過(guò)同步來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以他們只能在同步方法或者同步塊中被調(diào)用。

Thread類(lèi)的sleep()和yield()方法將在當(dāng)前正在執(zhí)行的線(xiàn)程上運(yùn)行。所以在其他處于等待狀態(tài)的線(xiàn)程上調(diào)用這些方法是沒(méi)有意義的。這就是為什么這些方法是靜態(tài)的。它們可以在當(dāng)前正在執(zhí)行的線(xiàn)程中工作，并避免程序員錯(cuò)誤的認(rèn)為可以在其他非運(yùn)行線(xiàn)程調(diào)用這些方法。

在Java中可以有很多方法來(lái)保證線(xiàn)程安全——同步，使用原子類(lèi)(atomic concurrent classes)，實(shí)現(xiàn)并發(fā)鎖，使用volatile關(guān)鍵字，使用不變類(lèi)和線(xiàn)程安全類(lèi)。在線(xiàn)程安全教程中，你可以學(xué)到更多。

當(dāng)我們使用volatile關(guān)鍵字去修飾變量的時(shí)候，所以線(xiàn)程都會(huì)直接讀取該變量并且不緩存它。這就確保了線(xiàn)程讀取到的變量是同內(nèi)存中是一致的。

同步塊是更好的選擇，因?yàn)樗粫?huì)鎖住整個(gè)對(duì)象（當(dāng)然你也可以讓它鎖住整個(gè)對(duì)象）。同步方法會(huì)鎖住整個(gè)對(duì)象，哪怕這個(gè)類(lèi)中有多個(gè)不相關(guān)聯(lián)的同步塊，這通常會(huì)導(dǎo)致他們停止執(zhí)行并需要等待獲得這個(gè)對(duì)象上的鎖。

使用Thread類(lèi)的setDaemon(true)方法可以將線(xiàn)程設(shè)置為守護(hù)線(xiàn)程，需要注意的是，需要在調(diào)用start()方法前調(diào)用這個(gè)方法，否則會(huì)拋出IllegalThreadStateException異常。

ThreadLocal用于創(chuàng)建線(xiàn)程的本地變量，我們知道一個(gè)對(duì)象的所有線(xiàn)程會(huì)共享它的全局變量，所以這些變量不是線(xiàn)程安全的，我們可以使用同步技術(shù)。但是當(dāng)我們不想使用同步的時(shí)候，我們可以選擇ThreadLocal變量。
每個(gè)線(xiàn)程都會(huì)擁有他們自己的Thread變量，它們可以使用get()set()方法去獲取他們的默認(rèn)值或者在線(xiàn)程內(nèi)部改變他們的值。ThreadLocal實(shí)例通常是希望它們同線(xiàn)程狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)是private static屬性。在ThreadLocal例子這篇文章中你可以看到一個(gè)關(guān)于ThreadLocal的小程序。

ThreadGroup是一個(gè)類(lèi)，它的目的是提供關(guān)于線(xiàn)程組的信息。
ThreadGroup API比較薄弱，它并沒(méi)有比Thread提供了更多的功能。它有兩個(gè)主要的功能：一是獲取線(xiàn)程組中處于活躍狀態(tài)線(xiàn)程的列表；二是設(shè)置為線(xiàn)程設(shè)置未捕獲異常處理器(ncaught exception handler)。但在Java 1.5中Thread類(lèi)也添加了setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh) 方法，所以ThreadGroup是已經(jīng)過(guò)時(shí)的，不建議繼續(xù)使用。

    t1.setUncaughtExceptionHandler(new UncaughtExceptionHandler(){

    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
    System.out.println("exception occured:"+e.getMessage());
    }

    });

線(xiàn)程轉(zhuǎn)儲(chǔ)是一個(gè)JVM活動(dòng)線(xiàn)程的列表，它對(duì)于分析系統(tǒng)瓶頸和死鎖非常有用。有很多方法可以獲取線(xiàn)程轉(zhuǎn)儲(chǔ)——使用Profiler，Kill -3命令，jstack工具等等。我更喜歡jstack工具，因?yàn)樗菀资褂貌⑶沂荍DK自帶的。由于它是一個(gè)基于終端的工具，所以我們可以編寫(xiě)一些腳本去定時(shí)的產(chǎn)生線(xiàn)程轉(zhuǎn)儲(chǔ)以待分析。讀這篇文檔可以了解更多關(guān)于產(chǎn)生線(xiàn)程轉(zhuǎn)儲(chǔ)的知識(shí)。

死鎖是指兩個(gè)以上的線(xiàn)程永遠(yuǎn)阻塞的情況，這種情況產(chǎn)生至少需要兩個(gè)以上的線(xiàn)程和兩個(gè)以上的資源。

分析死鎖，我們需要查看Java應(yīng)用程序的線(xiàn)程轉(zhuǎn)儲(chǔ)。我們需要找出那些狀態(tài)為BLOCKED的線(xiàn)程和他們等待的資源。每個(gè)資源都有一個(gè)唯一的id，用這個(gè)id我們可以找出哪些線(xiàn)程已經(jīng)擁有了它的對(duì)象鎖。

避免嵌套鎖，只在需要的地方使用鎖和避免無(wú)限期等待是避免死鎖的通常辦法，閱讀這篇文章去學(xué)習(xí)如何分析死鎖。

java.util.Timer是一個(gè)工具類(lèi)，可以用于安排一個(gè)線(xiàn)程在未來(lái)的某個(gè)特定時(shí)間執(zhí)行。Timer類(lèi)可以用安排一次性任務(wù)或者周期任務(wù)。

java.util.TimerTask是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Runnable接口的抽象類(lèi)，我們需要去繼承這個(gè)類(lèi)來(lái)創(chuàng)建我們自己的定時(shí)任務(wù)并使用Timer去安排它的執(zhí)行。

這里有關(guān)于java Timer的例子。

一個(gè)線(xiàn)程池管理了一組工作線(xiàn)程，同時(shí)它還包括了一個(gè)用于放置等待執(zhí)行的任務(wù)的隊(duì)列。

java.util.concurrent.Executors提供了一個(gè) java.util.concurrent.Executor接口的實(shí)現(xiàn)用于創(chuàng)建線(xiàn)程池。線(xiàn)程池例子 展現(xiàn)了如何創(chuàng)建和使用線(xiàn)程池，或者閱讀 ScheduledThreadPoolExecutor 例子，了解如何創(chuàng)建一個(gè)周期任務(wù)。

原子操作是指一個(gè)不受其他操作影響的操作任務(wù)單元。原子操作是在多線(xiàn)程環(huán)境下避免數(shù)據(jù)不一致必須的手段。

int++并不是一個(gè)原子操作，所以當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程讀取它的值并加1時(shí)，另外一個(gè)線(xiàn)程有可能會(huì)讀到之前的指，這就會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須保證增加操作是原子的，在JDK1.5之前我們可以使用同步技術(shù)來(lái)做到這一點(diǎn)。到JDK1.5，java.util.concurrent.atomic包提供了int和long類(lèi)型的裝類(lèi)，它們可以自動(dòng)的保證對(duì)于他們的操作是原子的并且不需要使用同步。可以閱讀這篇文章來(lái)了解Java的atomic類(lèi)。

Lock接口比同步方法和同步塊提供了更具擴(kuò)展性的鎖操作。他們?cè)试S更靈活的結(jié)構(gòu)，可以具有溫泉不同的性質(zhì)，并且可以支持多個(gè)相關(guān)類(lèi)的條件對(duì)象。

它的優(yōu)勢(shì)有：

可以使鎖更公平
可以使線(xiàn)程在等待鎖的時(shí)候響應(yīng)中斷
可以讓線(xiàn)程嘗試獲取鎖，并在無(wú)法獲取鎖的時(shí)候立即返回或者等待一段時(shí)間
可以在不同的范圍，以不同的順序獲取和釋放鎖
閱讀更多關(guān)于鎖的例子。

Executor框架同java.util.concurrent.Executor 接口在Java 5中被引入。Executor框架是一個(gè)根據(jù)一組執(zhí)行策略調(diào)用，調(diào)度，執(zhí)行和控制的異步任務(wù)的框架。

無(wú)限制的創(chuàng)建線(xiàn)程會(huì)引起應(yīng)用程序內(nèi)存溢出。所以創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程池是個(gè)更好的的解決方案，因?yàn)榭梢韵拗凭€(xiàn)程的數(shù)量并且可以回收再利用這些線(xiàn)程。利用Executors框架可以非常方便的創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程池，閱讀這篇文章可以了解如何使用Executor框架創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程池。

java.util.concurrent.BlockingQueue的特性是：當(dāng)隊(duì)列是空的時(shí)，從隊(duì)列中獲取或刪除元素的操作將會(huì)被阻塞，或者當(dāng)隊(duì)列是滿(mǎn)時(shí)，往隊(duì)列里添加元素的操作會(huì)被阻塞。

阻塞隊(duì)列不接受空值，當(dāng)你嘗試向隊(duì)列中添加空值的時(shí)候，它會(huì)拋出NullPointerException。

阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)都是線(xiàn)程安全的，所有的查詢(xún)方法都是原子的并且使用了內(nèi)部鎖或者其他形式的并發(fā)控制。

BlockingQueue 接口是java collections框架的一部分，它主要用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題。

閱讀這篇文章了解如何使用阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題。

Java 5在concurrency包中引入了java.util.concurrent.Callable 接口，它和Runnable接口很相似，但它可以返回一個(gè)對(duì)象或者拋出一個(gè)異常。

Callable接口使用泛型去定義它的返回類(lèi)型。Executors類(lèi)提供了一些有用的方法去在線(xiàn)程池中執(zhí)行Callable內(nèi)的任務(wù)。由于Callable任務(wù)是并行的，我們必須等待它返回的結(jié)果。java.util.concurrent.Future對(duì)象為我們解決了這個(gè)問(wèn)題。在線(xiàn)程池提交Callable任務(wù)后返回了一個(gè)Future對(duì)象，使用它我們可以知道Callable任務(wù)的狀態(tài)和得到Callable返回的執(zhí)行結(jié)果。Future提供了get()方法讓我們可以等待Callable結(jié)束并獲取它的執(zhí)行結(jié)果。

閱讀這篇文章了解更多關(guān)于Callable，F(xiàn)uture的例子。

FutureTask是Future的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，我們可以將它同Executors使用處理異步任務(wù)。通常我們不需要使用FutureTask類(lèi)，單當(dāng)我們打算重寫(xiě)Future接口的一些方法并保持原來(lái)基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)是，它就變得非常有用。我們可以?xún)H僅繼承于它并重寫(xiě)我們需要的方法。閱讀Java FutureTask例子，學(xué)習(xí)如何使用它。

Java集合類(lèi)都是快速失敗的，這就意味著當(dāng)集合被改變且一個(gè)線(xiàn)程在使用迭代器遍歷集合的時(shí)候，迭代器的next()方法將拋出ConcurrentModificationException異常。

并發(fā)容器支持并發(fā)的遍歷和并發(fā)的更新。

主要的類(lèi)有ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 和CopyOnWriteArraySet，閱讀這篇文章了解如何避免ConcurrentModificationException。

Executors為Executor，ExecutorService，ScheduledExecutorService，ThreadFactory和Callable類(lèi)提供了一些工具方法。

Executors可以用于方便的創(chuàng)建線(xiàn)程池。

原文：Java Multi-Threading and Concurrency Interview Questions with Answers
翻譯：并發(fā)編程網(wǎng) - 鄭旭東 校對(duì)：方騰飛