【多線程進階】信號量,線程安全集合類,Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別,多線程常見的面試題

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前言:
大家好,我是良辰丫,今天學習多線程最后一節(jié)內(nèi)容,我們主要去了解信號量,線程安全集合類,Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別,多線程常見的面試題,我們需要重點去掌握,??????

??個人主頁：良辰針不戳
??所屬專欄：javaEE初階
??勵志語句：生活也許會讓我們遍體鱗傷，但最終這些傷口會成為我們一輩子的財富。
??期待大家三連，關(guān)注，點贊，收藏。
??作者能力有限，可能也會出錯，歡迎大家指正。
??愿與君為伴，共探Java汪洋大海。

【多線程進階】信號量,線程安全集合類,Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別,多線程常見的面試題

1. 信號量

信號量,其實就是用來表示可用資源個數(shù),它的本質(zhì)其實是一個計數(shù)器.

申請一個資源我們可以稱為p操作.

釋放一個資源我們叫做v操作.

其實這和生活中的例子非常相似,有的汽車充電站會有這種計數(shù)器,進去充電,相當于申請了一個充電資源;充滿電斷開電源相當于釋放一個充電資源.

所謂的鎖其實也可以看做一個計數(shù)器,加鎖后,計數(shù)器為1,釋放鎖后計數(shù)器為0.

信號量是廣義的鎖,不光能管理非0即1的資源,也能管理多個資源.

如果計數(shù)器為0,繼續(xù)申請資源會進入阻塞狀態(tài).

創(chuàng)建 Semaphore 示例, 初始化為 4, 表示有 4 個可用資源.

acquire 方法表示申請資源(P操作), release 方法表示釋放資源(V操作)

創(chuàng)建 20 個線程, 每個線程都嘗試申請資源, sleep 1秒之后, 釋放資源. 觀察程序的執(zhí)行效果.

Semaphore semaphore = new Semaphore(4);
Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("申請資源");
            semaphore.acquire();
            System.out.println("獲取到資源");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("釋放資源了");
            semaphore.release();
       } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
       }
   }
};
for (int i = 0; i < 20; i++) {
    Thread t = new Thread(runnable);
    t.start();
}

【多線程進階】信號量,線程安全集合類,Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別,多線程常見的面試題

2. CountDownLatch

一種特別針對專有場景的組件.
同時等待 N 個任務(wù)執(zhí)行結(jié)束

就像一場比賽,我們可以約定最后一個人到達終點比賽才會結(jié)束.

下載一個大文件,為了提高效率,會分塊傳輸,只有文件全部傳過去文件才會結(jié)束傳輸(可以使用多線程).

構(gòu)造 CountDownLatch 實例, 初始化 10 表示有 10 個任務(wù)需要完成.

每個任務(wù)執(zhí)行完畢, 都調(diào)用 latch.countDown() . 在 CountDownLatch 內(nèi)部的計數(shù)器同時自減.

主線程中使用 latch.await,阻塞等待所有任務(wù)執(zhí)行完畢. 相當于計數(shù)器為 0 了.

public static int num;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep((long)Math.random() * 10000);
                    System.out.println(num++);
                    latch.countDown();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        });
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(t).start();
        }
        // 必須等到 10 人全部回來
        latch.await();
        System.out.println("比賽結(jié)束");
    }

【多線程進階】信號量,線程安全集合類,Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別,多線程常見的面試題

3. 一些常見面試題

1. 線程同步有哪些?

synchronized, ReentrantLock, Semaphore 等都可以用于線程同步.

2. 為什么有了 synchronized 還需要 juc 下的 lock？

以 juc 的 ReentrantLock 為例,

synchronized 使用時不需要手動釋放鎖. ReentrantLock 使用時需要手動釋放. 使用起來更靈活.

synchronized 在申請鎖失敗時, 會死等. ReentrantLock 可以通過 trylock 的方式等待一段時間就放棄.

synchronized 是非公平鎖, ReentrantLock 默認是非公平鎖. 可以通過構(gòu)造方法傳入一個true 開啟公平鎖模式.

synchronized 是通過 Object 的 wait / notify 實現(xiàn)等待-喚醒. 每次喚醒的是一個隨機等待的線程. ReentrantLock 搭配 Condition 類實現(xiàn)等待-喚醒, 可以更精確控制喚醒某個指定的線程.

3. AtomicInteger 的實現(xiàn)原理是什么？(前面文章有,可參考)

class AtomicInteger {
private int value;
public int getAndIncrement() {
     int oldValue = value;
     while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
         oldValue = value;
     }
     return oldValue;
 }
}

4. 信號量是什么?

信號量, 用來表示 “可用資源的個數(shù)”. 本質(zhì)上就是一個計數(shù)器.

使用信號量可以實現(xiàn) “共享鎖”, 比如某個資源允許 3 個線程同時使用, 那么就可以使用 P 操作作為加鎖, V 操作作為解鎖, 前三個線程的 P 操作都能順利返回, 后續(xù)線程再進行 P 操作就會阻塞等待, 直到前面的線程執(zhí)行了 V 操作.

5. 解釋一下 ThreadPoolExecutor 構(gòu)造方法的參數(shù)

public  ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
        int maximumPoolSize,
        long keepAliveTime,
        TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,
        ThreadFactory threadFactory,
        RejectedExecutionHandler handler)

maximumPoolSize ：線程池中能擁有最多線程數(shù).

keepAliveTime ：表示空閑線程的存活時間.

TimeUnit unit ：表示keepAliveTime的單位.

corePoolSize ：線程池中核心線程數(shù)的最大值.

workQueue ：用于緩存任務(wù)的阻塞隊列.

threadFactory ：指定創(chuàng)建線程的工廠.

handler ：表示當 workQueue 已滿，且池中的線程數(shù)達到 maximumPoolSize 時，線程池拒絕添加新任務(wù)時采取的策略。(線程池詳解)

4. 線程安全的集合類

4.1 多線程環(huán)境使用 ArrayList

原來的集合類, 大部分都不是線程安全的.
Vector, Stack, HashTable, 是線程安全的(不建議用), 其他的集合類不是線程安全的(如果多線程下進行使用,可能出現(xiàn)難以預料的問題).

需要多線程下使用這些東西,那么該怎么辦呢?

使用鎖,手動保證線程安全,多個線程去修改ArrayList此時可能出現(xiàn)問題,就可以給修改操作進行加鎖.

標準庫還提供了一些線程安全版本的集合類,如果需要使用ArrayList,可以使用Vector代替,但是這個關(guān)鍵方法都是帶有synchronized,這是太老的集合類,不建議大家使用.

Collections.synchronizedList(new ArrayList);synchronizedList 是標準庫提供的一個基于 synchronized 進行線程同步的 List.,synchronizedList 的關(guān)鍵操作上都帶有 synchronized.使用這個殼可以套用你想用的集合類.

CopyOnWriteArrayList
支持寫時拷貝集合類,線程安全是多個線程修改不同的變量(沒加鎖),修改的時候拷貝一份.如果是多線程讀,由于讀本身就是線程安全,就沒有事;如果此時有一個線程嘗試修改,就會觸發(fā)寫時拷貝;由于這樣的引用操作賦值,本身就是原子的,就可以保證線程安全,不用加鎖,也能完成修改.
優(yōu)點:在讀多寫少的場景下, 性能很高,不需要加鎖競爭.
缺點:占用內(nèi)存較多; 新寫的數(shù)據(jù)不能被第一時間讀到.

4.2 多線程環(huán)境使用隊列

ArrayBlockingQueue
基于數(shù)組實現(xiàn)的阻塞隊列

LinkedBlockingQueue
基于鏈表實現(xiàn)的阻塞隊列

PriorityBlockingQueue
基于堆實現(xiàn)的帶優(yōu)先級的阻塞隊列

TransferQueue
最多只包含一個元素的阻塞隊列

4.3 多線程環(huán)境使用哈希表

HashMap本身就是線程不安全的,因此在多線程情況下一般不用.
那么在多線程情況下我們可以使用哪些呢?

Hashtable

ConcurrentHashMap

4.3.1 Hashtable

只是簡單的把關(guān)鍵方法加上了 synchronized 關(guān)鍵字.相當于給this(對象本身)加鎖.

如果多線程訪問同一個 Hashtable 就會直接造成鎖沖突.

size 屬性也是通過 synchronized 來控制同步, 也是比較慢的.

一旦觸發(fā)擴容, 就由該線程完成整個擴容過程. 這個過程會涉及到大量的元素拷貝, 效率會非常低.

一個HashTable只有一把鎖,兩個線程訪問它的任意數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)鎖競爭.

4.3.2 ConcurrentHashMap

讀操作沒有加鎖(但是使用了 volatile 保證從內(nèi)存讀取結(jié)果), 只對寫操作進行加鎖. 加鎖的方式仍然是用 synchronized, 但是不是鎖整個對象, 而是 “鎖桶” (用每個鏈表的頭結(jié)點作為鎖對象), 大大降低了鎖沖突的概率.

充分利用 CAS 特性. 比如 size 屬性通過 CAS 來更新. 避免出現(xiàn)重量級鎖的情況.

優(yōu)化了擴容方式: 化整為零
①發(fā)現(xiàn)需要擴容的線程, 只需要創(chuàng)建一個新的數(shù)組, 同時只搬幾個元素過去.
②擴容期間, 新老數(shù)組同時存在.
③后續(xù)每個來操作 ConcurrentHashMap 的線程, 都會參與搬家的過程. 每個操作負責搬運一小部分元素.
④搬完最后一個元素再把老數(shù)組刪掉.
⑤這個期間, 插入只往新數(shù)組加.
⑥這個期間, 查找需要同時查新數(shù)組和老數(shù)組

ConcurrentHashMap中每個哈希桶都有一把鎖,只有兩個線程訪問的恰好是同一個哈希桶上的數(shù)據(jù)時才會出現(xiàn)鎖沖突.

4.3.3 Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別(重點)

加鎖粒度不同(觸發(fā)鎖沖突的頻率),HashTable是針對整個哈希表加鎖,任何的增刪查改操作都會觸發(fā)加鎖,也都有可能出現(xiàn)鎖競爭.(其實沒必要加鎖那么勤快,會嚴重降級效率)

HashTable插入元素時,根據(jù)key計算hash值(數(shù)組下標),把這個新的元素掛到對應(yīng)的下標鏈表上.(HashMap鏈表太長的時候(注意是HashMap)還會把鏈表變成紅黑樹).
兩個線程插入兩個元素是否會出現(xiàn)線程安全問題?
兩個線程修改不同的變量不會出現(xiàn)線程安全;雖然沒有線程安全問題,但是由于鎖是加到this上,仍然會針對同一個鎖對象產(chǎn)生鎖競爭,產(chǎn)生阻塞等待.

ConcurrentHashMap中每個鏈表的頭結(jié)點作為一把鎖,每次進行操作都是針對鏈表的頭結(jié)點進行加鎖,操作不同的鏈表就是針對不同的鎖加鎖,這樣就不會產(chǎn)生鎖沖突.這樣就導致大部分加鎖操作實際是沒有鎖沖突的,此時這里加鎖操作的開銷就非常小了.

無鎖編程(升級機制),更充分的利用了CAS機制,比如獲取/更新元素的個數(shù),就可以直接使用CAS完成,不必加鎖.CAS也能保證線程安全,往往比鎖更高效,但是這個操作不經(jīng)常用,使用范圍沒有鎖那么廣泛.

優(yōu)化了擴容策略,對于HashTable,如果元素太多,就會涉及到擴容操作,出現(xiàn)負載因子就需要進行擴容操作.擴容需要申請內(nèi)存空間,搬運元素(把元素從舊的哈希表上刪除,插到新的哈希表上);但是如果元素非常多,搬運一次,成本非常高,這就會導致put操作非常卡頓. CocurrentHashmap策略,化整為零,并不會試圖一次性搬運所有的元素,每次只搬運一小部分.
put觸發(fā)擴容的時候,就會直接創(chuàng)建更大的內(nèi)存空間,一部分進行搬運(速度較快),此時相當于有兩份哈希表,插入元素的時候,直接在新表操作;刪除元素刪舊表的;查找的時候新舊表都查.

5. ConcurrentHashMap相關(guān)面試題

1. ConcurrentHashMap的讀是否要加鎖?

讀操作沒有加鎖. 目的是為了進一步降低鎖沖突的概率. 為了保證讀到剛修改的數(shù)據(jù), 搭配了volatile 關(guān)鍵字.

2. 介紹下 ConcurrentHashMap的鎖分段技術(shù)?

這個是 Java1.7 中采取的技術(shù). Java1.8 中已經(jīng)不再使用了. 簡單的說就是把若干個哈希桶分成一個"段" (Segment), 針對每個段分別加鎖. 目的也是為了降低鎖競爭的概率.

當兩個線程訪問的數(shù)據(jù)恰好在同一個段上的時候, 才觸發(fā)鎖競爭.

3. ConcurrentHashMap在jdk1.8做了哪些優(yōu)化？

取消了分段鎖, 直接給每個哈希桶(每個鏈表)分配了一個鎖(就是以每個鏈表的頭結(jié)點對象作為鎖對象).

將原來數(shù)組 + 鏈表的實現(xiàn)方式改進成數(shù)組 + 鏈表 / 紅黑樹的方式. 當鏈表較長的時候(大于等于8 個元素)就轉(zhuǎn)換成紅黑樹.

4. ) Hashtable和HashMap、ConcurrentHashMap 之間的區(qū)別?

HashMap: 線程不安全. key 允許為 null.

Hashtable: 線程安全. 使用 synchronized 鎖 Hashtable 對象, 效率較低. key 不允許為 null.

ConcurrentHashMap: 線程安全. 使用 synchronized 鎖每個鏈表頭結(jié)點, 鎖沖突概率低, 充分利用CAS 機制. 優(yōu)化了擴容方式. key 不允許為 null.

看到這里,我們的多線程知識點就要進入尾聲了,接下來我們總結(jié)幾個多線程和鎖常見的面試考點.

6. 多線程常見面試題

1. 談?wù)?volatile關(guān)鍵字的用法?

volatile 能夠保證內(nèi)存可見性. 強制從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù). 此時如果有其他線程修改被 volatile 修飾的變量, 可以第一時間讀取到最新的值.

2. Java多線程是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的?

JVM 把內(nèi)存分成了這幾個區(qū)域:方法區(qū), 堆區(qū), 棧區(qū), 程序計數(shù)器.
其中堆區(qū)這個內(nèi)存區(qū)域是多個線程之間共享的.
只要把某個數(shù)據(jù)放到堆內(nèi)存中,可以讓多個線程都訪問到.

3. Java創(chuàng)建線程池的接口是什么？參數(shù) LinkedBlockingQueue 的作用是什么？

創(chuàng)建線程池主要有兩種方式(需要掌握):

通過 Executors 工廠類創(chuàng)建. 創(chuàng)建方式比較簡單, 但是定制能力有限.

通過 ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建. 創(chuàng)建方式比較復雜, 但是定制能力強.

LinkedBlockingQueue 表示線程池的任務(wù)隊列. 用戶通過 submit / execute 向這個任務(wù)隊列中添加任務(wù), 再由線程池中的工作線程來執(zhí)行任務(wù).

4. Java線程共有幾種狀態(tài)？狀態(tài)之間怎么切換的？

NEW: 安排了工作, 還未開始行動. 新創(chuàng)建的線程, 還沒有調(diào)用 start 方法時處在這個狀態(tài).

RUNNABLE: 可工作的. 又可以分成正在工作中和即將開始工作. 調(diào)用 start 方法之后, 并正在CPU 上運行/在即將準備運行的狀態(tài).

BLOCKED: 使用 synchronized 的時候, 如果鎖被其他線程占用, 就會阻塞等待, 從而進入該狀態(tài).

WAITING: 調(diào)用 wait 方法會進入該狀態(tài).

TIMED_WAITING: 調(diào)用 sleep 方法或者 wait(超時時間) 會進入該狀態(tài).

TERMINATED: 工作完成了. 當線程 run 方法執(zhí)行完畢后, 會處于這個狀態(tài).

5. 在多線程下，如果對一個數(shù)進行疊加，該怎么做？

使用 synchronized / ReentrantLock 加鎖

使用 AtomInteger 原子操作

6. Servlet是否是線程安全的？

Servlet 本身是工作在多線程環(huán)境下. 如果在 Servlet 中創(chuàng)建了某個成員變量, 此時如果有多個請求到達服務(wù)器, 服務(wù)器就會多線程進行操作, 是可能出現(xiàn)線程不安全的情況的.

7. Thread和Runnable的區(qū)別和聯(lián)系?

Thread 類描述了一個線程.

Runnable 描述了一個任務(wù).

在創(chuàng)建線程的時候需要指定線程完成的任務(wù), 可以直接重寫 Thread 的 run 方法, 也可以使用Runnable 來描述這個任務(wù)

8. 多次start一個線程會怎么樣?

第一次調(diào)用 start 可以成功調(diào)用. 后續(xù)再調(diào)用 start 會拋出 java.lang.IllegalThreadStateException 異常.

9. 有synchronized兩個方法，兩個線程分別同時調(diào)用這個方法,會發(fā)生什么呢?

synchronized 加在非靜態(tài)方法上, 相當于針對當前對象加鎖.

如果這兩個方法屬于同一個實例:
線程1 能夠獲取到鎖, 并執(zhí)行方法. 線程2 會阻塞等待, 直到線程1 執(zhí)行完畢, 釋放鎖, 線程2 獲取到鎖之后才能執(zhí)行方法內(nèi)容.

如果這兩個方法屬于不同實例:兩者能并發(fā)執(zhí)行, 互不干擾

10.線程與進程的區(qū)別?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-426863.html

進程是包含線程的. 每個進程至少有一個線程存在，即主線程。

進程和進程之間不共享內(nèi)存空間. 同一個進程的線程之間共享同一個內(nèi)存空間.

進程是系統(tǒng)分配資源的最小單位，線程是系統(tǒng)調(diào)度的最小單位。

到了這里，關(guān)于【多線程進階】信號量,線程安全集合類,Hashtable與ConcurrentHashMap的區(qū)別,多線程常見的面試題的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！