Java并发知识点有哪些

本篇内容主要讲解“Java并发知识点有哪些”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“Java并发知识点有哪些”吧!

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1.并行跟并发有什么区别？

从操作系统的角度来看，线程是CPU分配的最小单位。

• 并行就是同一时刻，两个线程都在执行。这就要求有两个CPU去分别执行两个线程。

• 并发就是同一时刻，只有一个执行，但是一个时间段内，两个线程都执行了。并发的实现依赖于CPU切换线程，因为切换的时间特别短，所以基本对于用户是无感知的。

就好像我们去食堂打饭，并行就是我们在多个窗口排队，几个阿姨同时打菜；并发就是我们挤在一个窗口，阿姨给这个打一勺，又手忙脚乱地给那个打一勺。

2.说说什么是进程和线程？

要说线程，必须得先说说进程。

• 进程：进程是代码在数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。

• 线程：线程是进程的一个执行路径，一个进程中至少有一个线程，进程中的多个线程共享进程的资源。

操作系统在分配资源时是把资源分配给进程的， 但是 CPU 资源比较特殊，它是被分配到线程的，因为真正要占用CPU运行的是线程，所以也说线程是 CPU分配的基本单位。

比如在Java中，当我们启动 main 函数其实就启动了一个JVM进程，而 main 函数在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

一个进程中有多个线程，多个线程共用进程的堆和方法区资源，但是每个线程有自己的程序计数器和栈。

3.说说线程有几种创建方式？

Java中创建线程主要有三种方式，分别为继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口。

• 继承Thread类，重写run()方法，调用start()方法启动线程

public class ThreadTest {

    /**
     * 继承Thread类
     */
    public static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("This is child thread");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }}

• 实现 Runnable 接口，重写run()方法

public class RunnableTask implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("Runnable!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableTask task = new RunnableTask();
        new Thread(task).start();
    }}

上面两种都是没有返回值的，但是如果我们需要获取线程的执行结果，该怎么办呢？

• 实现Callable接口，重写call()方法，这种方式可以通过FutureTask获取任务执行的返回值

public class CallerTask implements Callable {
    public String call() throws Exception {
        return "Hello,i am running!";
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建异步任务
        FutureTask task=new FutureTask(new CallerTask());
        //启动线程
        new Thread(task).start();
        try {
            //等待执行完成，并获取返回结果
            String result=task.get();
            System.out.println(result);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }}

4.为什么调用start()方法时会执行run()方法，那怎么不直接调用run()方法？

JVM执行start方法，会先创建一条线程，由创建出来的新线程去执行thread的run方法，这才起到多线程的效果。

**为什么我们不能直接调用run()方法？**也很清楚， 如果直接调用Thread的run()方法，那么run方法还是运行在主线程中，相当于顺序执行，就起不到多线程的效果。

5.线程有哪些常用的调度方法？

线程等待与通知

在Object类中有一些函数可以用于线程的等待与通知。

• wait()：当一个线程A调用一个共享变量的 wait()方法时， 线程A会被阻塞挂起， 发生下面几种情况才会返回 ：

• （1） 线程A调用了共享对象 notify()或者 notifyAll()方法；

• （2）其他线程调用了线程A的 interrupt() 方法，线程A抛出InterruptedException异常返回。

• wait(long timeout) ：这个方法相比 wait() 方法多了一个超时参数，它的不同之处在于，如果线程A调用共享对象的wait(long timeout)方法后，没有在指定的 timeout ms时间内被其它线程唤醒，那么这个方法还是会因为超时而返回。

• wait(long timeout, int nanos)，其内部调用的是 wait(long timout）函数。

上面是线程等待的方法，而唤醒线程主要是下面两个方法：

• notify() : 一个线程A调用共享对象的 notify() 方法后，会唤醒一个在这个共享变量上调用 wait 系列方法后被挂起的线程。 一个共享变量上可能会有多个线程在等待，具体唤醒哪个等待的线程是随机的。

• notifyAll() ：不同于在共享变量上调用 notify() 函数会唤醒被阻塞到该共享变量上的一个线程，notifyAll()方法则会唤醒所有在该共享变量上由于调用 wait 系列方法而被挂起的线程。

Thread类也提供了一个方法用于等待的方法：

• join()：如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才

  从thread.join()返回。

线程休眠

• sleep(long millis) :Thread类中的静态方法，当一个执行中的线程A调用了Thread 的sleep方法后，线程A会暂时让出指定时间的执行权，但是线程A所拥有的监视器资源，比如锁还是持有不让出的。指定的睡眠时间到了后该函数会正常返回，接着参与 CPU 的调度，获取到 CPU 资源后就可以继续运行。

让出优先权

• yield() ：Thread类中的静态方法，当一个线程调用 yield 方法时，实际就是在暗示线程调度器当前线程请求让出自己的CPU ，但是线程调度器可以无条件忽略这个暗示。

线程中断

Java 中的线程中断是一种线程间的协作模式，通过设置线程的中断标志并不能直接终止该线程的执行，而是被中断的线程根据中断状态自行处理。

• void interrupt() ：中断线程，例如，当线程A运行时，线程B可以调用钱程interrupt() 方法来设置线程的中断标志为true 并立即返回。设置标志仅仅是设置标志, 线程A实际并没有被中断， 会继续往下执行。

• boolean isInterrupted() 方法： 检测当前线程是否被中断。

• boolean interrupted() 方法： 检测当前线程是否被中断，与 isInterrupted 不同的是，该方法如果发现当前线程被中断，则会清除中断标志。

6.线程有几种状态？

在Java中，线程共有六种状态：

线程在自身的生命周期中， 并不是固定地处于某个状态，而是随着代码的执行在不同的状态之间进行切换，Java线程状态变化如图示：

7.什么是线程上下文切换？

使用多线程的目的是为了充分利用CPU，但是我们知道，并发其实是一个CPU来应付多个线程。

为了让用户感觉多个线程是在同时执行的， CPU 资源的分配采用了时间片轮转也就是给每个线程分配一个时间片，线程在时间片内占用 CPU 执行任务。当线程使用完时间片后，就会处于就绪状态并让出 CPU 让其他线程占用，这就是上下文切换。

8.守护线程了解吗？

Java中的线程分为两类，分别为 daemon 线程（守护线程）和 user 线程（用户线程）。

在JVM 启动时会调用 main 函数，main函数所在的钱程就是一个用户线程。其实在 JVM 内部同时还启动了很多守护线程， 比如垃圾回收线程。

那么守护线程和用户线程有什么区别呢？区别之一是当最后一个非守护线程束时， JVM会正常退出，而不管当前是否存在守护线程，也就是说守护线程是否结束并不影响 JVM退出。换而言之，只要有一个用户线程还没结束，正常情况下JVM就不会退出。

9.线程间有哪些通信方式？

• volatile和synchronized关键字

关键字volatile可以用来修饰字段（成员变量），就是告知程序任何对该变量的访问均需要从共享内存中获取，而对它的改变必须同步刷新回共享内存，它能保证所有线程对变量访问的可见性。

关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性。

• 等待/通知机制

可以通过Java内置的等待/通知机制（wait()/notify()）实现一个线程修改一个对象的值，而另一个线程感知到了变化，然后进行相应的操作。

• 管道输入/输出流

管道输入/输出流和普通的文件输入/输出流或者网络输入/输出流不同之处在于，它主要用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。

管道输入/输出流主要包括了如下4种具体实现：PipedOutputStream、PipedInputStream、 PipedReader和PipedWriter，前两种面向字节，而后两种面向字符。

• 使用Thread.join()

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。。线程Thread除了提供join()方法之外，还提供了join(long millis)和join(long millis,int nanos)两个具备超时特性的方法。

• 使用ThreadLocal

ThreadLocal，即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值的存储结构。这个结构被附带在线程上，也就是说一个线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个线程上的一个值。

可以通过set(T)方法来设置一个值，在当前线程下再通过get()方法获取到原先设置的值。

关于多线程，其实很大概率还会出一些笔试题，比如交替打印、银行转账、生产消费模型等等，后面老三会单独出一期来盘点一下常见的多线程笔试题。

ThreadLocal

ThreadLocal其实应用场景不是很多，但却是被炸了千百遍的面试老油条，涉及到多线程、数据结构、JVM，可问的点比较多，一定要拿下。

10.ThreadLocal是什么？

ThreadLocal，也就是线程本地变量。如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地拷贝，多个线程操作这个变量的时候，实际是操作自己本地内存里面的变量，从而起到线程隔离的作用，避免了线程安全问题。

• 创建

创建了一个ThreadLoca变量localVariable，任何一个线程都能并发访问localVariable。

//创建一个ThreadLocal变量public static ThreadLocal localVariable = new ThreadLocal<>();

• 写入

线程可以在任何地方使用localVariable，写入变量。

localVariable.set("鄙人三某”);

• 读取

线程在任何地方读取的都是它写入的变量。

localVariable.get();

11.你在工作中用到过ThreadLocal吗？

有用到过的，用来做用户信息上下文的存储。

我们的系统应用是一个典型的MVC架构，登录后的用户每次访问接口，都会在请求头中携带一个token，在控制层可以根据这个token，解析出用户的基本信息。那么问题来了，假如在服务层和持久层都要用到用户信息，比如rpc调用、更新用户获取等等，那应该怎么办呢？

一种办法是显式定义用户相关的参数，比如账号、用户名……这样一来，我们可能需要大面积地修改代码，多少有点瓜皮，那该怎么办呢？

这时候我们就可以用到ThreadLocal，在控制层拦截请求把用户信息存入ThreadLocal，这样我们在任何一个地方，都可以取出ThreadLocal中存的用户数据。

很多其它场景的cookie、session等等数据隔离也都可以通过ThreadLocal去实现。

我们常用的数据库连接池也用到了ThreadLocal：

• 数据库连接池的连接交给ThreadLoca进行管理，保证当前线程的操作都是同一个Connnection。

12.ThreadLocal怎么实现的呢？

我们看一下ThreadLocal的set(T)方法，发现先获取到当前线程，再获取ThreadLocalMap，然后把元素存到这个map中。

    public void set(T value) {
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //讲当前元素存入map
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

ThreadLocal实现的秘密都在这个ThreadLocalMap了，可以Thread类中定义了一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的成员变量threadLocals。

public class Thread implements Runnable {
   //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的属性
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;}

ThreadLocalMap既然被称为Map，那么毫无疑问它是型的数据结构。我们都知道map的本质是一个个形式的节点组成的数组，那ThreadLocalMap的节点是什么样的呢？

        static class Entry extends WeakReference> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            //节点类
            Entry(ThreadLocal k, Object v) {
                //key赋值
                super(k);
                //value赋值
                value = v;
            }
        }

这里的节点，key可以简单低视作ThreadLocal，value为代码中放入的值，当然实际上key并不是ThreadLocal本身，而是它的一个弱引用，可以看到Entry的key继承了 WeakReference（弱引用），再来看一下key怎么赋值的：

    public WeakReference(T referent) {
        super(referent);
    }

key的赋值，使用的是WeakReference的赋值。

所以，怎么回答ThreadLocal原理？要答出这几个点：

• Thread类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals，每个线程都有一个属于自己的ThreadLocalMap。

• ThreadLocalMap内部维护着Entry数组，每个Entry代表一个完整的对象，key是ThreadLocal的弱引用，value是ThreadLocal的泛型值。

• 每个线程在往ThreadLocal里设置值的时候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，读也是以某个ThreadLocal作为引用，在自己的map里找对应的key，从而实现了线程隔离。

• ThreadLocal本身不存储值，它只是作为一个key来让线程往ThreadLocalMap里存取值。

13.ThreadLocal 内存泄露是怎么回事？

我们先来分析一下使用ThreadLocal时的内存，我们都知道，在JVM中，栈内存线程私有，存储了对象的引用，堆内存线程共享，存储了对象实例。

所以呢，栈中存储了ThreadLocal、Thread的引用，堆中存储了它们的具体实例。

ThreadLocalMap中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用。

“弱引用：只要垃圾回收机制一运行，不管JVM的内存空间是否充足，都会回收该对象占用的内存。”

那么现在问题就来了，弱引用很容易被回收，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是ThreadLocalMap生命周期和Thread是一样的，它这时候如果不被回收，就会出现这种情况：ThreadLocalMap的key没了，value还在，这就会造成了内存泄漏问题。

那怎么解决内存泄漏问题呢？

很简单，使用完ThreadLocal后，及时调用remove()方法释放内存空间。

ThreadLocal localVariable = new ThreadLocal();try {
    localVariable.set("鄙人三某”);
    ……} finally {
    localVariable.remove();}

那为什么key还要设计成弱引用？

key设计成弱引用同样是为了防止内存泄漏。

假如key被设计成强引用，如果ThreadLocal Reference被销毁，此时它指向ThreadLoca的强引用就没有了，但是此时key还强引用指向ThreadLoca，就会导致ThreadLocal不能被回收，这时候就发生了内存泄漏的问题。

14.ThreadLocalMap的结构了解吗？

ThreadLocalMap虽然被叫做Map，其实它是没有实现Map接口的，但是结构还是和HashMap比较类似的，主要关注的是两个要素：元素数组和散列方法。

• 元素数组

  一个table数组，存储Entry类型的元素，Entry是ThreaLocal弱引用作为key，Object作为value的结构。

 private Entry[] table;

• 散列方法

  散列方法就是怎么把对应的key映射到table数组的相应下标，ThreadLocalMap用的是哈希取余法，取出key的threadLocalHashCode，然后和table数组长度减一&运算（相当于取余）。

int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);

这里的threadLocalHashCode计算有点东西，每创建一个ThreadLocal对象，它就会新增0x61c88647，这个值很特殊，它是斐波那契数也叫 黄金分割数。hash增量为 这个数字，带来的好处就是 hash 分布非常均匀。

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

15.ThreadLocalMap怎么解决Hash冲突的？

我们可能都知道HashMap使用了链表来解决冲突，也就是所谓的链地址法。

ThreadLocalMap没有使用链表，自然也不是用链地址法来解决冲突了，它用的是另外一种方式——开放定址法。开放定址法是什么意思呢？简单来说，就是这个坑被人占了，那就接着去找空着的坑。

如上图所示，如果我们插入一个value=27的数据，通过 hash计算后应该落入第 4 个槽位中，而槽位 4 已经有了 Entry数据，而且Entry数据的key和当前不相等。此时就会线性向后查找，一直找到 Entry为 null的槽位才会停止查找，把元素放到空的槽中。

在get的时候，也会根据ThreadLocal对象的hash值，定位到table中的位置，然后判断该槽位Entry对象中的key是否和get的key一致，如果不一致，就判断下一个位置。

16.ThreadLocalMap扩容机制了解吗？

在ThreadLocalMap.set()方法的最后，如果执行完启发式清理工作后，未清理到任何数据，且当前散列数组中Entry的数量已经达到了列表的扩容阈值(len*2/3)，就开始执行rehash()逻辑：

if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
    rehash();

再着看rehash()具体实现：这里会先去清理过期的Entry，然后还要根据条件判断size >= threshold - threshold / 4 也就是size >= threshold* 3/4来决定是否需要扩容。

private void rehash() {
    //清理过期Entry
    expungeStaleEntries();

    //扩容
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();}//清理过期Entryprivate void expungeStaleEntries() {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = tab[j];
        if (e != null && e.get() == null)
            expungeStaleEntry(j);
    }}

接着看看具体的resize()方法，扩容后的newTab的大小为老数组的两倍，然后遍历老的table数组，散列方法重新计算位置，开放地址解决冲突，然后放到新的newTab，遍历完成之后，oldTab中所有的entry数据都已经放入到newTab中了，然后table引用指向newTab

具体代码：

17.父子线程怎么共享数据？

父线程能用ThreadLocal来给子线程传值吗？毫无疑问，不能。那该怎么办？

这时候可以用到另外一个类——InheritableThreadLocal。

使用起来很简单，在主线程的InheritableThreadLocal实例设置值，在子线程中就可以拿到了。

public class InheritableThreadLocalTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        final ThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal();
        // 主线程
        threadLocal.set("不擅技术");
        //子线程
        Thread t = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                super.run();
                System.out.println("鄙人三某 ，" + threadLocal.get());
            }
        };
        t.start();
    }}

那原理是什么呢？

原理很简单，在Thread类里还有另外一个变量：

ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

在Thread.init的时候，如果父线程的inheritableThreadLocals不为空，就把它赋给当前线程（子线程）的inheritableThreadLocals。

        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals)

18.说一下你对Java内存模型（JMM）的理解？

Java内存模型（Java Memory Model，JMM），是一种抽象的模型，被定义出来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异。

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

Java内存模型的抽象图：

本地内存是JMM的 一个抽象概念，并不真实存在。它其实涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

图里面的是一个双核 CPU 系统架构 ，每个核有自己的控制器和运算器，其中控制器包含一组寄存器和操作控制器，运算器执行算术逻辅运算。每个核都有自己的一级缓存，在有些架构里面还有一个所有 CPU 共享的二级缓存。 那么 Java 内存模型里面的工作内存，就对应这里的 Ll 缓存或者 L2 缓存或者 CPU 寄存器。

19.说说你对原子性、可见性、有序性的理解？

原子性、有序性、可见性是并发编程中非常重要的基础概念，JMM的很多技术都是围绕着这三大特性展开。

• 原子性：原子性指的是一个操作是不可分割、不可中断的，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就全不执行。

• 可见性：可见性指的是一个线程修改了某一个共享变量的值时，其它线程能够立即知道这个修改。

• 有序性：有序性指的是对于一个线程的执行代码，从前往后依次执行，单线程下可以认为程序是有序的，但是并发时有可能会发生指令重排。

分析下面几行代码的原子性？

int i = 2;int j = i;i++;i = i + 1;

• 第1句是基本类型赋值，是原子性操作。

• 第2句先读i的值，再赋值到j，两步操作，不能保证原子性。

• 第3和第4句其实是等效的，先读取i的值，再+1，最后赋值到i，三步操作了，不能保证原子性。

原子性、可见性、有序性都应该怎么保证呢？

• 原子性：JMM只能保证基本的原子性，如果要保证一个代码块的原子性，需要使用synchronized。

• 可见性：Java是利用volatile关键字来保证可见性的，除此之外，final和synchronized也能保证可见性。

• 有序性：synchronized或者volatile都可以保证多线程之间操作的有序性。

20.那说说什么是指令重排？

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型。

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应 机器指令的执行顺序。

3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面3种重排序，如图：

我们比较熟悉的双重校验单例模式就是一个经典的指令重排的例子，Singleton instance=new Singleton()；对应的JVM指令分为三步：分配内存空间–>初始化对象—>对象指向分配的内存空间，但是经过了编译器的指令重排序，第二步和第三步就可能会重排序。

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

21.指令重排有限制吗？happens-before了解吗？

指令重排也是有一些限制的，有两个规则happens-before和as-if-serial来约束。

happens-before的定义：

• 如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

• 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照 happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法

happens-before和我们息息相关的有六大规则：

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

• 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

• 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

• start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的 ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。

• join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作 happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

22.as-if-serial又是什么？单线程的程序一定是顺序的吗？

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。为了具体说明，请看下面计算圆面积的代码示例。

double pi = 3.14;   // Adouble r = 1.0;   // B double area = pi * r * r;   // C

上面3个操作的数据依赖关系：

A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的结果将会被改变）。但A和B之间没有数据依赖关系，编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。

所以最终，程序可能会有两种执行顺序：

as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器、runtime和处理器共同编织了这么一个“楚门的世界”：单线程程序是按程序的“顺序”来执行的。as- if-serial语义使单线程情况下，我们不需要担心重排序的问题，可见性的问题。

23.volatile实现原理了解吗？

volatile有两个作用，保证可见性和有序性。

volatile怎么保证可见性的呢？

相比synchronized的加锁方式来解决共享变量的内存可见性问题，volatile就是更轻量的选择，它没有上下文切换的额外开销成本。

volatile可以确保对某个变量的更新对其他线程马上可见，一个变量被声明为volatile 时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存 当其它线程读取该共享变量 ，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的本地内存中的值。

例如，我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，线程A修改x=1，修改完之后就会把新的值刷新回主内存，线程B读取x的时候，就会清空本地内存变量，然后再从主内存获取最新值。

volatile怎么保证有序性的呢？

重排序可以分为编译器重排序和处理器重排序，valatile保证有序性，就是通过分别限制这两种类型的重排序。

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障

2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障

3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障

4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障

24.synchronized用过吗？怎么使用？

synchronized经常用的，用来保证代码的原子性。

synchronized主要有三种用法：

• 修饰实例方法:作用于当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁

synchronized void method() {
  //业务代码}

• 修饰静态方法：也就是给当前类加锁，会作⽤于类的所有对象实例 ，进⼊同步代码前要获得当前 class 的锁。因为静态成员不属于任何⼀个实例对象，是类成员（ static 表明这是该类的⼀个静态资源，不管 new 了多少个对象，只有⼀份）。

  如果⼀个线程 A 调⽤⼀个实例对象的⾮静态 synchronized ⽅法，⽽线程 B 需要调⽤这个实例对象所属类的静态 synchronized ⽅法，是允许的，不会发⽣互斥现象，因为访问静态 synchronized ⽅法占⽤的锁是当前类的锁，⽽访问⾮静态 synchronized ⽅法占⽤的锁是当前实例对象锁。

synchronized void staic method() {
 //业务代码}

• 修饰代码块：指定加锁对象，对给定对象/类加锁。 synchronized(this|object) 表示进⼊同步代码库前要获得给定对象的锁。 synchronized(类.class) 表示进⼊同步代码前要获得 当前 class的锁

synchronized(this) {
 //业务代码}

25.synchronized的实现原理？

synchronized是怎么加锁的呢？

我们使用synchronized的时候，发现不用自己去lock和unlock，是因为JVM帮我们把这个事情做了。

1. synchronized修饰代码块时，JVM采用monitorenter、monitorexit两个指令来实现同步，monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置， monitorexit 指令则指向同步代码块的结束位置。

   反编译一段synchronized修饰代码块代码，javap -c -s -v -l SynchronizedDemo.class，可以看到相应的字节码指令。

2. synchronized修饰同步方法时，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步，这个标识指明了该方法是一个同步方法。

   同样可以写段代码反编译看一下。

synchronized锁住的是什么呢？

monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是基于Monitor实现的。

实例对象结构里有对象头，对象头里面有一块结构叫Mark Word，Mark Word指针指向了monitor。

所谓的Monitor其实是一种同步工具，也可以说是一种同步机制。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的，可以叫做内部锁，或者Monitor锁。

ObjectMonitor的工作原理：

• ObjectMonitor有两个队列：_WaitSet、_EntryList，用来保存ObjectWaiter 对象列表。

• _owner，获取 Monitor 对象的线程进入 _owner 区时， _count + 1。如果线程调用了 wait() 方法，此时会释放 Monitor 对象， _owner 恢复为空， _count - 1。同时该等待线程进入 _WaitSet 中，等待被唤醒。

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录线程获取锁的次数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //锁的重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor对象的线程
    _WaitSet      = NULL;  // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

可以类比一个去医院就诊的例子[18]：

• 首先，患者在门诊大厅前台或自助挂号机进行挂号；

• 随后，挂号结束后患者找到对应的诊室就诊：

• 诊室每次只能有一个患者就诊；

• 如果此时诊室空闲，直接进入就诊；

• 如果此时诊室内有其它患者就诊，那么当前患者进入候诊室，等待叫号；

• 就诊结束后，走出就诊室，候诊室的下一位候诊患者进入就诊室。

这个过程就和Monitor机制比较相似：

• 门诊大厅：所有待进入的线程都必须先在入口Entry Set挂号才有资格；

• 就诊室：就诊室**_Owner**里里只能有一个线程就诊，就诊完线程就自行离开

• 候诊室：就诊室繁忙时，进入等待区（Wait Set），就诊室空闲的时候就从**等待区（Wait Set）**叫新的线程

所以我们就知道了，同步是锁住的什么东西：

• monitorenter，在判断拥有同步标识 ACC_SYNCHRONIZED 抢先进入此方法的线程会优先拥有 Monitor 的 owner ，此时计数器 +1。

• monitorexit，当执行完退出后，计数器 -1，归 0 后被其他进入的线程获得。

26.除了原子性，synchronized可见性，有序性，可重入性怎么实现？

synchronized怎么保证可见性？

• 线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值。

• 线程加锁后，其它线程无法获取主内存中的共享变量。

• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中。

synchronized怎么保证有序性？

synchronized同步的代码块，具有排他性，一次只能被一个线程拥有，所以synchronized保证同一时刻，代码是单线程执行的。

因为as-if-serial语义的存在，单线程的程序能保证最终结果是有序的，但是不保证不会指令重排。

所以synchronized保证的有序是执行结果的有序性，而不是防止指令重排的有序性。

synchronized怎么实现可重入的呢？

synchronized 是可重入锁，也就是说，允许一个线程二次请求自己持有对象锁的临界资源，这种情况称为可重入锁。

synchronized 锁对象的时候有个计数器，他会记录下线程获取锁的次数，在执行完对应的代码块之后，计数器就会-1，直到计数器清零，就释放锁了。

之所以，是可重入的。是因为 synchronized 锁对象有个计数器，会随着线程获取锁后 +1 计数，当线程执行完毕后 -1，直到清零释放锁。

27.锁升级？synchronized优化了解吗？

了解锁升级，得先知道，不同锁的状态是什么样的。这个状态指的是什么呢？

Java对象头里，有一块结构，叫Mark Word标记字段，这块结构会随着锁的状态变化而变化。

64 位虚拟机 Mark Word 是 64bit，我们来看看它的状态变化：

Mark Word存储对象自身的运行数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、偏向时间戳（Epoch）等。

synchronized做了哪些优化？

在JDK1.6之前，synchronized的实现直接调用ObjectMonitor的enter和exit，这种锁被称之为重量级锁。从JDK6开始，HotSpot虚拟机开发团队对Java中的锁进行优化，如增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略，提升了synchronized的性能。

• 偏向锁：在无竞争的情况下，只是在Mark Word里存储当前线程指针，CAS操作都不做。

• 轻量级锁：在没有多线程竞争时，相对重量级锁，减少操作系统互斥量带来的性能消耗。但是，如果存在锁竞争，除了互斥量本身开销，还额外有CAS操作的开销。

• 自旋锁：减少不必要的CPU上下文切换。在轻量级锁升级为重量级锁时，就使用了自旋加锁的方式

• 锁粗化：将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。

• 锁消除：虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

锁升级的过程是什么样的？

锁升级方向：无锁–>偏向锁—> 轻量级锁---->重量级锁，这个方向基本上是不可逆的。

我们看一下升级的过程：

偏向锁：

偏向锁的获取：

1. 判断是否为可偏向状态–MarkWord中锁标志是否为‘01’，是否偏向锁是否为‘1’

2. 如果是可偏向状态，则查看线程ID是否为当前线程，如果是，则进入步骤’5’，否则进入步骤‘3’

3. 通过CAS操作竞争锁，如果竞争成功，则将MarkWord中线程ID设置为当前线程ID，然后执行‘5’；竞争失败，则执行‘4’

4. CAS获取偏向锁失败表示有竞争。当达到safepoint时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块

5. 执行同步代码

偏向锁的撤销：

1. 偏向锁不会主动释放(撤销)，只有遇到其他线程竞争时才会执行撤销，由于撤销需要知道当前持有该偏向锁的线程栈状态，因此要等到safepoint时执行，此时持有该偏向锁的线程（T）有‘2’，‘3’两种情况；

2. 撤销----T线程已经退出同步代码块，或者已经不再存活，则直接撤销偏向锁，变成无锁状态----该状态达到阈值20则执行批量重偏向

3. 升级----T线程还在同步代码块中，则将T线程的偏向锁升级为轻量级锁，当前线程执行轻量级锁状态下的锁获取步骤----该状态达到阈值40则执行批量撤销

轻量级锁：

轻量级锁的获取：

1. 进行加锁操作时，jvm会判断是否已经时重量级锁，如果不是，则会在当前线程栈帧中划出一块空间，作为该锁的锁记录，并且将锁对象MarkWord复制到该锁记录中

2. 复制成功之后，jvm使用CAS操作将对象头MarkWord更新为指向锁记录的指针，并将锁记录里的owner指针指向对象头的MarkWord。如果成功，则执行‘3’，否则执行‘4’

3. 更新成功，则当前线程持有该对象锁，并且对象MarkWord锁标志设置为‘00’，即表示此对象处于轻量级锁状态

4. 更新失败，jvm先检查对象MarkWord是否指向当前线程栈帧中的锁记录，如果是则执行‘5’，否则执行‘4’

5. 表示锁重入；然后当前线程栈帧中增加一个锁记录第一部分（Displaced Mark Word）为null，并指向Mark Word的锁对象，起到一个重入计数器的作用。

6. 表示该锁对象已经被其他线程抢占，则进行自旋等待（默认10次），等待次数达到阈值仍未获取到锁，则升级为重量级锁

大体上省简的升级过程：

完整的升级过程：

28.说说synchronized和ReentrantLock的区别？

可以从锁的实现、功能特点、性能等几个维度去回答这个问题：

• 锁的实现：synchronized是Java语言的关键字，基于JVM实现。而ReentrantLock是基于JDK的API层面实现的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 语句块来完成。）

• 性能：在JDK1.6锁优化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6开始，增加了适应性自旋、锁消除等，两者性能就差不多了。

• 功能特点：ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能，如等待可中断、可实现公平锁、可实现选择性通知。

• ReentrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制

• ReentrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。

• synchronized与wait()和notify()/notifyAll()方法结合实现等待/通知机制，ReentrantLock类借助Condition接口与newCondition()方法实现。

• ReentrantLock需要手工声明来加锁和释放锁，一般跟finally配合释放锁。而synchronized不用手动释放锁。

下面的表格列出出了两种锁之间的区别：

29.AQS了解多少？

AbstractQueuedSynchronizer 抽象同步队列，简称 AQS ，它是Java并发包的根基，并发包中的锁就是基于AQS实现的。

• AQS是基于一个FIFO的双向队列，其内部定义了一个节点类Node，Node 节点内部的 SHARED 用来标记该线程是获取共享资源时被阻挂起后放入AQS 队列的， EXCLUSIVE 用来标记线程是 取独占资源时被挂起后放入AQS 队列

• AQS 使用一个 volatile 修饰的 int 类型的成员变量 state 来表示同步状态，修改同步状态成功即为获得锁，volatile 保证了变量在多线程之间的可见性，修改 State 值时通过 CAS 机制来保证修改的原子性

• 获取state的方式分为两种，独占方式和共享方式，一个线程使用独占方式获取了资源，其它线程就会在获取失败后被阻塞。一个线程使用共享方式获取了资源，另外一个线程还可以通过CAS的方式进行获取。

• 如果共享资源被占用，需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁的分配，AQS 中会将竞争共享资源失败的线程添加到一个变体的 CLH 队列中。

先简单了解一下CLH：Craig、Landin and Hagersten 队列，是 单向链表实现的队列。申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现 前驱节点释放了锁就结束自旋

AQS 中的队列是 CLH 变体的虚拟双向队列，通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配：

AQS 中的 CLH 变体等待队列拥有以下特性：

• AQS 中队列是个双向链表，也是 FIFO 先进先出的特性

• 通过 Head、Tail 头尾两个节点来组成队列结构，通过 volatile 修饰保证可见性

• Head 指向节点为已获得锁的节点，是一个虚拟节点，节点本身不持有具体线程

• 获取不到同步状态，会将节点进行自旋获取锁，自旋一定次数失败后会将线程阻塞，相对于 CLH 队列性能较好

ps:AQS源码里面有很多细节可问，建议有时间好好看看AQS源码。

30.ReentrantLock实现原理？

ReentrantLock 是可重入的独占锁，只能有一个线程可以获取该锁，其它获取该锁的线程会被阻塞而被放入该锁的阻塞队列里面。

看看ReentrantLock的加锁操作：

    // 创建非公平锁
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 获取锁操作
    lock.lock();
    try {
        // 执行代码逻辑
    } catch (Exception ex) {
        // ...
    } finally {
        // 解锁操作
        lock.unlock();
    }

new ReentrantLock()构造函数默认创建的是非公平锁 NonfairSync。

公平锁 FairSync

1. 公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁

2. 公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU 唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大

非公平锁 NonfairSync

• 非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁

• 非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU 不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁

默认创建的对象lock()的时候：

• 如果锁当前没有被其它线程占用，并且当前线程之前没有获取过该锁，则当前线程会获取到该锁，然后设置当前锁的拥有者为当前线程，并设置 AQS 的状态值为1 ，然后直接返回。如果当前线程之前己经获取过该锁，则这次只是简单地把 AQS 的状态值加1后返回。

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  标题名称：Java并发知识点有哪些
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