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Java 并发基础常见面试题总结
1. 什么是线程和进程?
1.1. 何为进程?
进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，所以进程是动态的。系统运行一个程序便是一个进程从建立，运行到消亡的过程。程序员
在 Java 中，当咱们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。github
以下图所示，在 windows 中经过查看任务管理器的方式，咱们就能够清楚看到 window 当前运行的进程（.exe 文件的运行）。面试
1.2. 何为线程?
线程与进程类似，但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程当中能够产生多个线程。与进程不一样的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每一个线程有本身的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，因此系统在产生一个线程，或是在各个线程之间做切换工做时，负担要比进程小得多，也正由于如此，线程也被称为轻量级进程。spring
Java 程序天生就是多线程程序，咱们能够经过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码以下。sql
public class MultiThread { public static void main(String[] args) { // 获取 Java 线程管理 MXBean ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean(); // 不须要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息 ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false); // 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息 for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) { System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName()); } } }
上述程序输出以下（输出内容可能不一样，不用太纠结下面每一个线程的做用，只用知道 main 线程执行 main 方法便可）：编程
[5] Attach Listener //添加事件 [4] Signal Dispatcher // 分发处理给 JVM 信号的线程 [3] Finalizer //调用对象 finalize 方法的线程 [2] Reference Handler //清除 reference 线程 [1] main //main 线程,程序入口
从上面的输出内容能够看出：一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其余线程同时运行。
2. 请简要描述线程与进程的关系,区别及优缺点？
从 JVM 角度说进程和线程之间的关系
2.1. 图解进程和线程的关系
下图是 Java 内存区域，经过下图咱们从 JVM 的角度来讲一下线程和进程之间的关系。若是你对 Java 内存区域 (运行时数据区) 这部分知识不太了解的话能够阅读一下这篇文章：《多是把 Java 内存区域讲的最清楚的一篇文章》
从上图能够看出：一个进程中能够有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 以后的元空间)资源，可是每一个线程有本身的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。
总结： 线程 是 进程 划分红的更小的运行单位。线程和进程最大的不一样在于基本上各进程是独立的，而各线程则不必定，由于同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反
下面是该知识点的扩展内容！
下面来思考这样一个问题：为何程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的呢？为何堆和方法区是线程共享的呢？
2.2. 程序计数器为何是私有的?
程序计数器主要有下面两个做用：
- 字节码解释器经过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
- 在多线程的状况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候可以知道该线程上次运行到哪儿了。
须要注意的是，若是执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。
因此，程序计数器私有主要是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。
2.3. 虚拟机栈和本地方法栈为何是私有的?
- 虚拟机栈： 每一个 Java 方法在执行的同时会建立一个栈帧用于存储局部变量表、操做数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
- 本地方法栈： 和虚拟机栈所发挥的做用很是类似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。
因此，为了保证线程中的局部变量不被别的线程访问到，虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。
2.4. 一句话简单了解堆和方法区
堆和方法区是全部线程共享的资源，其中堆是进程中最大的一块内存，主要用于存放新建立的对象 (全部对象都在这里分配内存)，方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
3. 说说并发与并行的区别?
- 并发： 同一时间段，多个任务都在执行 (单位时间内不必定同时执行)；
- 并行： 单位时间内，多个任务同时执行。
4. 为何要使用多线程呢?
先从整体上来讲：
- 从计算机底层来讲： 线程能够比做是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程能够同时运行，这减小了线程上下文切换的开销。
- 从当代互联网发展趋势来讲： 如今的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制能够大大提升系统总体的并发能力以及性能。
再深刻到计算机底层来探讨：
- 单核时代： 在单核时代多线程主要是为了提升 CPU 和 IO 设备的综合利用率。举个例子：当只有一个线程的时候会致使 CPU 计算时，IO 设备空闲；进行 IO 操做时，CPU 空闲。咱们能够简单地说这二者的利用率目前都是 50%左右。可是当有两个线程的时候就不同了，当一个线程执行 CPU 计算时，另一个线程能够进行 IO 操做，这样两个的利用率就能够在理想状况下达到 100%了。
- 多核时代: 多核时代多线程主要是为了提升 CPU 利用率。举个例子：假如咱们要计算一个复杂的任务，咱们只用一个线程的话，CPU 只会一个 CPU 核心被利用到，而建立多个线程就可让多个 CPU 核心被利用到，这样就提升了 CPU 的利用率。
5. 使用多线程可能带来什么问题?
并发编程的目的就是为了能提升程序的执行效率提升程序运行速度，可是并发编程并不老是能提升程序运行速度的，并且并发编程可能会遇到不少问题，好比：内存泄漏、上下文切换、死锁还有受限于硬件和软件的资源闲置问题。
6. 说说线程的生命周期和状态?
Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不一样状态的其中一个状态（图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节）。
线程在生命周期中并非固定处于某一个状态而是随着代码的执行在不一样状态之间切换。Java 线程状态变迁以下图所示（图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节）：
由上图能够看出：线程建立以后它将处于 NEW（新建） 状态，调用 start() 方法后开始运行，线程这时候处于 READY（可运行） 状态。可运行状态的线程得到了 CPU 时间片（timeslice）后就处于 RUNNING（运行） 状态。
操做系统隐藏 Java 虚拟机（JVM）中的 RUNNABLE 和 RUNNING 状态，它只能看到 RUNNABLE 状态（图源：HowToDoInJava：Java Thread Life Cycle and Thread States），因此 Java 系统通常将这两个状态统称为 RUNNABLE（运行中） 状态 。
当线程执行 wait()方法以后，线程进入 WAITING（等待） 状态。进入等待状态的线程须要依靠其余线程的通知才可以返回到运行状态，而 TIME_WAITING(超时等待) 状态至关于在等待状态的基础上增长了超时限制，好比经过 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法能够将 Java 线程置于 TIMED WAITING 状态。当超时时间到达后 Java 线程将会返回到 RUNNABLE 状态。当线程调用同步方法时，在没有获取到锁的状况下，线程将会进入到 BLOCKED（阻塞） 状态。线程在执行 Runnable 的run()方法以后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。
7. 什么是上下文切换?
多线程编程中通常线程的个数都大于 CPU 核心的个数，而一个 CPU 核心在任意时刻只能被一个线程使用，为了让这些线程都能获得有效执行，CPU 采起的策略是为每一个线程分配时间片并轮转的形式。当一个线程的时间片用完的时候就会从新处于就绪状态让给其余线程使用，这个过程就属于一次上下文切换。
归纳来讲就是：当前任务在执行完 CPU 时间片切换到另外一个任务以前会先保存本身的状态，以便下次再切换回这个任务时，能够再加载这个任务的状态。任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。
上下文切换一般是计算密集型的。也就是说，它须要至关可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都须要纳秒量级的时间。因此，上下文切换对系统来讲意味着消耗大量的 CPU 时间，事实上，多是操做系统中时间消耗最大的操做。
Linux 相比与其余操做系统（包括其余类 Unix 系统）有不少的优势，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗很是少。
8. 什么是线程死锁?如何避免死锁?
8.1. 认识线程死锁
多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者所有都在等待某个资源被释放。因为线程被无限期地阻塞，所以程序不可能正常终止。
以下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，因此这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。
下面经过一个例子来讲明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的状况 (代码来源于《并发编程之美》)：
public class DeadLockDemo { private static Object resource1 = new Object();//资源 1 private static Object resource2 = new Object();//资源 2 public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { synchronized (resource1) { System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1"); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2"); synchronized (resource2) { System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2"); } } }, "线程 1").start(); new Thread(() -> { synchronized (resource2) { System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2"); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1"); synchronized (resource1) { System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1"); } } }, "线程 2").start(); } }
Output
Thread[线程 1,5,main]get resource1 Thread[线程 2,5,main]get resource2 Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2 Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1
线程 A 经过 synchronized (resource1) 得到 resource1 的监视器锁，而后经过Thread.sleep(1000);让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 获得执行而后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，而后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。上面的例子符合产生死锁的四个必要条件。
学过操做系统的朋友都知道产生死锁必须具有如下四个条件：
- 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
- 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已得到的资源保持不放。
- 不剥夺条件:线程已得到的资源在末使用完以前不能被其余线程强行剥夺，只有本身使用完毕后才释放资源。
- 循环等待条件:若干进程之间造成一种头尾相接的循环等待资源关系。
8.2. 如何避免线程死锁?
咱们只要破坏产生死锁的四个条件中的其中一个就能够了。
破坏互斥条件
这个条件咱们没有办法破坏，由于咱们用锁原本就是想让他们互斥的（临界资源须要互斥访问）。
破坏请求与保持条件
一次性申请全部的资源。
破坏不剥夺条件
占用部分资源的线程进一步申请其余资源时，若是申请不到，能够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。
咱们对线程 2 的代码修改为下面这样就不会产生死锁了。
new Thread(() -> { synchronized (resource1) { System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1"); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2"); synchronized (resource2) { System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2"); } } }, "线程 2").start();
Output
Thread[线程 1,5,main]get resource1 Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2 Thread[线程 1,5,main]get resource2 Thread[线程 2,5,main]get resource1 Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2 Thread[线程 2,5,main]get resource2 Process finished with exit code 0
咱们分析一下上面的代码为何避免了死锁的发生?
线程 1 首先得到到 resource1 的监视器锁,这时候线程 2 就获取不到了。而后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁，能够获取到。而后线程 1 释放了对 resource一、resource2 的监视器锁的占用，线程 2 获取到就能够执行了。这样就破坏了破坏循环等待条件，所以避免了死锁。
9. 说说 sleep() 方法和 wait() 方法区别和共同点?
- 二者最主要的区别在于：sleep 方法没有释放锁，而 wait 方法释放了锁 。
- 二者均可以暂停线程的执行。
- Wait 一般被用于线程间交互/通讯，sleep 一般被用于暂停执行。
- wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，须要别的线程调用同一个对象上的 notify() 或者 notifyAll() 方法。sleep() 方法执行完成后，线程会自动苏醒。或者可使用wait(long timeout)超时后线程会自动苏醒。
10. 为何咱们调用 start() 方法时会执行 run() 方法，为何咱们不能直接调用 run() 方法？
这是另外一个很是经典的 java 多线程面试问题，并且在面试中会常常被问到。很简单，可是不少人都会答不上来！
new 一个 Thread，线程进入了新建状态;调用 start() 方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就能够开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工做，而后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工做。 而直接执行 run() 方法，会把 run 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，因此这并非多线程工做。
总结： 调用 start 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，而 run 方法只是 thread 的一个普通方法调用，仍是在主线程里执行。
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