八股文系列——Java并发

线程和进程的区别

1. 本质区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位
2. 开销方面：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小
3. 内存分配：系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间；而对线程而言，除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源

并发与并行的区别

• 并发：两个及两个以上的作业在同一 时间段 内执行
• 并行：两个及两个以上的作业在同一 时刻 执行

同步和异步的区别

• 同步：发出一个调用之后，在没有得到结果之前， 该调用就不可以返回，一直等待
• 异步：调用在发出之后，不用等待返回结果，该调用直接返回

线程的生命周期和状态

Java可以直接从Thread的State枚举中看到对应的线程状态和备注。

• NEW：初始状态，线程被创建出来但没有被调用 start()。
• RUNNABLE: 运行状态，线程被调用了 start()等待运行的状态。
• BLOCKED：阻塞状态，需要等待锁（Monitor lock）释放。
• WAITING：等待状态，表示该线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
• TIME_WAITING：超时等待状态，可以在指定的时间后自行返回而不是像 WAITING 那样一直等待。比如执行Thread.sleep就会是TIMED_WAITING状态。
• TERMINATED：终止状态，表示该线程已经运行完毕。

线程死锁的必要条件

1. 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
2. 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3. 不剥夺条件：线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。
4. 循环等待条件：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何预防线程死锁?

• 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
• 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
• 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

synchronized锁升级

1. 无锁：对于共享资源，不涉及多线程的竞争访问
2. 偏向锁：共享资源首次被访问时，JVM会对该共享资源对象做一些设置，比如将对象头中是否偏向锁标志位置为1，对象头中的线程ID设置为当前线程ID（注意：这里是操作系统的线程ID），后续当前线程再次访问这个共享资源时，会根据偏向锁标识跟线程ID进行比对是否相同，比对成功则直接获取到锁，进入临界区域（就是被锁保护，线程间只能串行访问的代码），这也是synchronized锁的可重入功能。
3. 轻量级锁：当多个线程同时申请共享资源锁的访问时，这就产生了竞争，JVM会先尝试使用轻量级锁，以CAS方式来获取锁（一般就是自旋加锁，不阻塞线程采用循环等待的方式），成功则获取到锁，状态为轻量级锁，失败（达到一定的自旋次数还未成功）则锁升级到重量级锁。
4. 重量级锁：如果共享资源锁已经被某个线程持有，此时是偏向锁状态，未释放锁前，再有其他线程来竞争时，则会升级到重量级锁，另外轻量级锁状态多线程竞争锁时，也会升级到重量级锁，重量级锁由操作系统来实现，所以性能消耗相对较高。

这4种级别的锁，在获取时性能消耗：重量级锁 > 轻量级锁 > 偏向锁 > 无锁。

相关文章：浅析synchronized锁升级的原理与实现

synchronized 和 volatile 有什么区别？

synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在，而不是对立的存在！

• volatile 关键字是线程同步的轻量级实现，所以 volatile性能肯定比synchronized关键字要好 。但是 volatile 关键字只能用于变量而 synchronized 关键字可以修饰方法以及代码块 。
• volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。
• volatile关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

为什么要使用线程池

• 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
• 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
• 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。

线程池的拒绝策略

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy： 抛出 RejectedExecutionException来拒绝新任务的处理。
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy： 调用执行自己的线程运行任务，也就是直接在调用execute方法的线程中运行(run)被拒绝的任务，如果执行程序已关闭，则会丢弃该任务。因此这种策略会降低对于新任务提交速度，影响程序的整体性能。如果您的应用程序可以承受此延迟并且你要求任何一个任务请求都要被执行的话，你可以选择这个策略。
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy： 不处理新任务，直接丢弃掉。
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy： 此策略将丢弃最早的未处理的任务请求。

线程池常用的阻塞队列

• LinkedBlockingQueue（无界队列）：FixedThreadPool 和 SingleThreadExector 。FixedThreadPool最多只能创建核心线程数的线程（核心线程数和最大线程数相等），SingleThreadExector只能创建一个线程（核心线程数和最大线程数都是 1），二者的任务队列永远不会被放满。
• SynchronousQueue（同步队列）：CachedThreadPool 。SynchronousQueue 没有容量，不存储元素，目的是保证对于提交的任务，如果有空闲线程，则使用空闲线程来处理；否则新建一个线程来处理任务。也就是说，CachedThreadPool 的最大线程数是 Integer.MAX_VALUE ，可以理解为线程数是可以无限扩展的，可能会创建大量线程，从而导致 OOM。
• DelayedWorkQueue（延迟阻塞队列）：ScheduledThreadPool 和 SingleThreadScheduledExecutor 。DelayedWorkQueue 的内部元素并不是按照放入的时间排序，而是会按照延迟的时间长短对任务进行排序，内部采用的是“堆”的数据结构，可以保证每次出队的任务都是当前队列中执行时间最靠前的。DelayedWorkQueue 添加元素满了之后会自动扩容原来容量的 1/2，即永远不会阻塞，最大扩容可达 Integer.MAX_VALUE，所以最多只能创建核心线程数的线程。

线程池的任务流程

1. 如果当前运行的线程数小于核心线程数，那么就会新建一个线程来执行任务。
2. 如果当前运行的线程数等于或大于核心线程数，但是小于最大线程数，那么就把该任务放入到任务队列里等待执行。
3. 如果向任务队列投放任务失败（任务队列已经满了），但是当前运行的线程数是小于最大线程数的，就新建一个线程来执行任务。
4. 如果当前运行的线程数已经等同于最大线程数了，新建线程将会使当前运行的线程超出最大线程数，那么当前任务会被拒绝，饱和策略会调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

AQS的原理

1. AQS是一个同步队列，内部是用一个FIFO的双向链表管理被阻塞的线程；
2. AQS获取锁时会先尝试使用CAS获取锁，如果获取锁失败，则会将当前线程封装成Node加入到AQS队列中；
3. AQS释放锁时，会按照FIFO的原则唤醒head节点的线程；

获取锁源码的调用时序图

释放锁源码的调用时序图