引言

本篇文章總結(jié)了多線程中面試頻率比較高的考點(diǎn)，內(nèi)容可能比較瑣碎，但是如果能夠堅(jiān)持看完，注意總結(jié)積累，相信對(duì)面試會(huì)有很大幫助。多線程內(nèi)容較多，用一篇文章寫(xiě)完可能篇幅過(guò)長(zhǎng)，我打算用兩篇文章來(lái)總結(jié)，本篇主要寫(xiě)的是多線程中輔助加鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指令，下一篇主要講的是鎖策略。

考點(diǎn)1. CAS 指令（重點(diǎn)）

一、什么是CAS

CAS（Compare-and-Swap）是一種用于實(shí)現(xiàn)多線程同步的原子指令。它涉及到三個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值（B）。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值，這個(gè)操作是原子的。

CAS 操作包含三個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作：

1. 比較（Compare）：將內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值進(jìn)行比較。
2. 交換（Swap）：如果比較相等，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該內(nèi)存位置的值更新為新值。
3. 原子性（Atomicity）：上述整個(gè)比較和交換的操作是原子的，即該操作在執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)被其他線程的操作打斷。
   

CAS 指令一般是基于硬件實(shí)現(xiàn)的，在 Intel 處理器中，它可以通過(guò) LOCK 前綴的 CMPXCHG 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。在 Java 中，CAS 操作被廣泛用于實(shí)現(xiàn)非阻塞算法，如原子變量類（java.util.concurrent.atomic 包下的類）中的 getAndIncrement、compareAndSet 等方法都是基于 CAS 實(shí)現(xiàn)的。

二、CAS 的優(yōu)點(diǎn)

• 非阻塞算法：CAS 允許線程在不進(jìn)入阻塞狀態(tài)的情況下進(jìn)行并發(fā)操作，這有助于減少線程切換的開(kāi)銷，提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。
• 無(wú)需使用鎖：在多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)資源時(shí)，傳統(tǒng)的鎖機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致線程阻塞，而 CAS 可以在不依賴鎖的情況下實(shí)現(xiàn)線程間的同步。

三、CAS 的缺點(diǎn)

• 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大：如果 CAS 操作一直不成功，那么線程會(huì)一直處于自旋狀態(tài)（返回失敗并持續(xù)重試），這會(huì)增加 CPU 的負(fù)擔(dān)。
• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作：當(dāng)需要對(duì)多個(gè)共享變量進(jìn)行操作時(shí)，CAS 就無(wú)法保證操作的原子性了。這種情況下，需要使用鎖或其他同步機(jī)制來(lái)保證操作的原子性。

四、ABA問(wèn)題

• 情景：

  • 假設(shè)小明有存款1000元，他去ATM機(jī)上取100元，服務(wù)器產(chǎn)生了兩個(gè)線程處理。線程1執(zhí)行完存款變?yōu)?00，線程2CAS指令比較失敗，無(wú)法執(zhí)行。
    
  • 就在小明取錢的時(shí)候，小明的爸爸給小明的銀行賬戶轉(zhuǎn)了100元，產(chǎn)生了線程3。如果線程3是在線程1執(zhí)行后才產(chǎn)生的，那么就會(huì)出現(xiàn)存款從 1000 -> 900 -> 1000 的過(guò)程，于是再執(zhí)行線程2的CAS指令就會(huì)成功。本來(lái)小明只想取100元，現(xiàn)在取錢操作執(zhí)行了兩次，取出了200元！
    

• 定義：

  在CAS操作中，線程會(huì)首先讀取某個(gè)內(nèi)存位置的值（我們稱之為預(yù)期值A(chǔ)），然后執(zhí)行CAS操作，嘗試將該內(nèi)存位置的值修改為新的值（我們稱之為B），但前提是內(nèi)存位置的值必須仍然是預(yù)期值A(chǔ)。如果在讀取值和嘗試修改值之間，有其他線程修改了該內(nèi)存位置的值（比如從A改為了B，然后又改回了A），那么CAS操作會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為該值沒(méi)有變化，從而成功執(zhí)行，這就會(huì)導(dǎo)致ABA問(wèn)題。

  在以上情景中，存款從1000變900再變成1000的過(guò)程所導(dǎo)致的取錢兩次的BUG就是ABA問(wèn)題。

• 解決方法：
  給要修改的值, 引?版本號(hào). 在 CAS ?較數(shù)據(jù)當(dāng)前值和舊值的同時(shí), 也要?較版本號(hào)是否符合預(yù)期。例如：
  給存款引入版本號(hào)，每次執(zhí)行線程時(shí)版本號(hào)加1.
  
  版本號(hào)為1，線程1執(zhí)行扣款成功，存款為900，版本號(hào)+1變?yōu)?，線程3執(zhí)行存入成功，存款為1000，版本號(hào)+1變?yōu)?，線程2執(zhí)行，版本號(hào)與之前讀取的不同，執(zhí)行失敗。

五、相關(guān)面試題

1. 講解下你??理解的 CAS 機(jī)制。
2. ABA問(wèn)題怎么解決？

忠告：相關(guān)面試題的答案我不會(huì)給出，讀者應(yīng)自己總結(jié)積累，盲目背誦答案已經(jīng)過(guò)時(shí)，面試場(chǎng)上的八股文已被千變?nèi)f化的情景題目所取代，只有自己總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)才能應(yīng)對(duì)變化，才能讓面試官青睞！

考點(diǎn)2. 信號(hào)量（semaphore）

一、基本概念

• 定義：信號(hào)量是一個(gè)非負(fù)整數(shù)，用于表示某種資源的數(shù)量。它有兩個(gè)主要操作：P（等待）和V（釋放）。
• 作用：實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的同步或臨界資源的互斥訪問(wèn)，常用于協(xié)助一組相互競(jìng)爭(zhēng)的任務(wù)來(lái)訪問(wèn)臨界資源。

二、信號(hào)量的主要操作

1. P（等待）操作：

   • 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程或線程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，它會(huì)嘗試執(zhí)行P操作。
   • 如果信號(hào)量的值大于0，表示資源可用，進(jìn)程或線程可以繼續(xù)訪問(wèn)資源，并將信號(hào)量的值減1。
   • 如果信號(hào)量的值等于0，表示資源已被占用，進(jìn)程或線程會(huì)被阻塞，直到信號(hào)量的值變?yōu)檎龜?shù)。

2. V（釋放）操作：

   • 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程或線程完成對(duì)共享資源的訪問(wèn)時(shí)，它會(huì)執(zhí)行V操作，將信號(hào)量的值加1。
   • 如果有其他等待進(jìn)程被阻塞，它們中的一個(gè)將被喚醒并獲得對(duì)資源的訪問(wèn)權(quán)限。

代碼示例：

    public static void main(String[] args) {// 信號(hào)量為4，表明有四個(gè)資源待訪問(wèn)Semaphore semaphore = new Semaphore(4);// 寫(xiě)一個(gè)線程訪問(wèn)訪問(wèn)資源Thread t = new Thread(() -> {try {// accquire方法表示P操作semaphore.acquire();// do something ...Thread.sleep(1000);// release方法表示V操作semaphore.release();} catch(InterruptedException e){e.printStackTrace();}});t.start();}

三、信號(hào)量的應(yīng)用

信號(hào)量在操作系統(tǒng)和并發(fā)編程中有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：

1. 進(jìn)程同步：控制多個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行順序，保證數(shù)據(jù)的正確處理。
2. 臨界資源的互斥訪問(wèn)：保護(hù)共享資源，防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和沖突。
3. 生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題：在生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型中，通過(guò)信號(hào)量來(lái)控制資源的生產(chǎn)和消費(fèi)。
4. 線程池管理：控制線程池中的線程數(shù)量，以控制系統(tǒng)的負(fù)載。
5. 順序控制：確保多個(gè)任務(wù)按照特定的順序執(zhí)行。

綜上所述，信號(hào)量是一種重要的同步機(jī)制，通過(guò)合理地控制信號(hào)量的值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)和同步操作，從而避免并發(fā)編程中的常見(jiàn)問(wèn)題。

四、相關(guān)面試題

1. 簡(jiǎn)單解釋一下什么是信號(hào)量？
2. 什么場(chǎng)景下會(huì)使用到信號(hào)量？

考點(diǎn)3、CountDownLatch 類

CountDownLatch 是 Java 并發(fā)包 java.util.concurrent 中的一個(gè)非常有用的同步輔助類，它允許一個(gè)或多個(gè)線程等待一組其他線程完成操作。這個(gè)類通過(guò)讓一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成一組操作來(lái)協(xié)調(diào)線程。CountDownLatch 初始化時(shí)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器（count），這個(gè)計(jì)數(shù)器代表等待完成的操作的數(shù)量。

一、主要用途

• 等待多個(gè)線程完成：CountDownLatch 允許一個(gè)或多個(gè)線程等待其他一組線程完成它們的任務(wù)。例如，在啟動(dòng)多個(gè)線程進(jìn)行并行計(jì)算時(shí)，你可能希望等待所有線程都完成計(jì)算后再繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。
• 性能優(yōu)化：通過(guò)并行處理，可以提高應(yīng)用程序的響應(yīng)速度和吞吐量。CountDownLatch 可以幫助在并行處理完成后同步后續(xù)操作。

二、主要方法

• CountDownLatch(int count)：構(gòu)造函數(shù)，初始化計(jì)數(shù)器值為給定的 count 值。
• void await()：使當(dāng)前線程在鎖存器倒計(jì)數(shù)至零之前一直處于等待狀態(tài)，除非線程被中斷。
• void await(long timeout, TimeUnit unit)：使當(dāng)前線程在鎖存器倒計(jì)數(shù)至零之前一直處于等待狀態(tài)，或者從當(dāng)前時(shí)間起已經(jīng)過(guò)了指定的等待時(shí)間，或者線程被中斷。
• void countDown()：遞減鎖存器的計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)到達(dá)零，則釋放所有等待的線程。

三、示例

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示了如何使用 CountDownLatch 來(lái)等待一組線程完成它們的任務(wù)。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int taskCount = 5;ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(taskCount);CountDownLatch latch = new CountDownLatch(taskCount);for (int i = 0; i < taskCount; i++) {executor.submit(() -> {try {// 模擬任務(wù)執(zhí)行Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}latch.countDown(); // 完成任務(wù)，減少計(jì)數(shù)器});}// 等待所有任務(wù)完成latch.await();System.out.println("所有任務(wù)完成");executor.shutdown();}
}

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)包含 5 個(gè)任務(wù)的線程池。每個(gè)任務(wù)完成后，都會(huì)調(diào)用 countDown() 方法來(lái)減少 CountDownLatch 的計(jì)數(shù)器。主線程通過(guò)調(diào)用 await() 方法等待，直到計(jì)數(shù)器的值達(dá)到 0，即所有任務(wù)都已完成。然后，主線程繼續(xù)執(zhí)行并打印出 “所有任務(wù)完成”。

考點(diǎn)4、Callable 接口

在Java中，Callable 接口是Java并發(fā)API的一部分，它位于 java.util.concurrent 包中。與 Runnable 接口不同，Callable 接口可以返回一個(gè)結(jié)果，并且可能拋出一個(gè)異常。這使得 Callable 接口非常適合用于那些需要返回值的并發(fā)任務(wù)。

Callable 接口的定義如下：

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {/*** Computes a result, or throws an exception if unable to do so.** @return computed result* @throws Exception if unable to compute a result*/V call() throws Exception;
}

Callable 與 Runnable 的主要區(qū)別

1. 返回值：Runnable 接口的 run 方法沒(méi)有返回值，而 Callable 接口的 call 方法可以返回一個(gè)泛型類型的值。
2. 異常處理：Runnable 的 run 方法不允許拋出受檢查的異常（checked exceptions），而 Callable 的 call 方法可以。如果 call 方法拋出了一個(gè)異常，這個(gè)異常將被封裝在一個(gè) ExecutionException 中，這個(gè)異常是由 Future.get() 方法拋出的。

使用場(chǎng)景

當(dāng)你需要執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，并且這個(gè)任務(wù)完成后需要返回一個(gè)結(jié)果時(shí)，就可以使用 Callable。例如，你可能需要從遠(yuǎn)程服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，或者執(zhí)行一些計(jì)算并返回結(jié)果。

示例

創(chuàng)建線程計(jì)算 1 + 2 + 3 + … + 1000,

使用 Run 版本：

• 創(chuàng)建?個(gè)類 Result，包含?個(gè) sum 表示最終結(jié)果, lock 表?線程同步使?的鎖對(duì)象。

• main ?法中先創(chuàng)建 Result 實(shí)例, 然后創(chuàng)建?個(gè)線程 t. 在線程內(nèi)部計(jì)算 1 + 2 + 3 + … + 1000.

• 主線程同時(shí)使? wait 等待線程 t 計(jì)算結(jié)束. (注意, 如果執(zhí)行到 wait 之前, 線程 t 已經(jīng)計(jì)算完了, 就不必等待了)。

• 當(dāng)線程 t 計(jì)算完畢后, 通過(guò) notify 喚醒主線程, 主線程再打印結(jié)果.

public class Demo18 {static class Result {public int sum = 0;public Object lock = new Object();}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Result result = new Result();Thread t = new Thread() {@Overridepublic void run() {int sum = 0;for (int i = 1; i <= 1000; i++) {sum += i;}synchronized (result.lock) {result.sum = sum;result.lock.notify();}}};t.start();synchronized (result.lock) {while (result.sum == 0) {result.lock.wait();}System.out.println(result.sum);}}
}

可以看到，上述代碼需要?個(gè)輔助類 Result，還需要使??系列的加鎖和 wait notify 操作，代碼復(fù)雜，容易出錯(cuò)。

使用Callable版本：

• 創(chuàng)建?個(gè)匿名內(nèi)部類，實(shí)現(xiàn) Callable 接?。 Callable 帶有泛型參數(shù)，泛型參數(shù)表?返回值的類型。
• 重寫(xiě) Callable 的 call ?法，完成累加的過(guò)程，直接通過(guò)返回值返回計(jì)算結(jié)果.
• 把 callable 實(shí)例使? FutureTask 包裝?下。
• 線程的構(gòu)造?法傳? FutureTask。 此時(shí)新線程就會(huì)執(zhí)行 FutureTask 內(nèi)部的 Callable 的 call 方法完成計(jì)算，計(jì)算結(jié)果就放到了 FutureTask 對(duì)象中。
• 在主線程中調(diào)? futureTask.get() 能夠阻塞等待新線程計(jì)算完畢. 并獲取到 FutureTask 中的結(jié)果。

public class Demo18 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 1; i <= 1000; i++) {sum += i;}return sum;}};FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);Thread t = new Thread(futureTask);t.start();int result = futureTask.get();System.out.println(result);}
}

可以看到，使? Callable 和 FutureTask 之后，代碼簡(jiǎn)化了很多，也不必?動(dòng)寫(xiě)線程同步代碼了。

相關(guān)面試題

請(qǐng)你說(shuō)說(shuō)Callable 和 Runnable 的主要區(qū)別？

考點(diǎn)5、多線程下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一、多線程環(huán)境使用ArrayList

• 普通的 ArrayList 線程并不安全，在使用時(shí)必須在可能發(fā)生沖突的地方加鎖，操作復(fù)雜且容易發(fā)生死鎖。
• （使用較多）使用Collections.synchronizedList(new ArrayList)，synchronizedList 是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供的?個(gè)基于 synchronized 進(jìn)行線程同步的方法，它是 Collections 類的一個(gè)靜態(tài)方法，它的返回值是一個(gè)對(duì)關(guān)鍵方法加了鎖的鏈表（List）。這樣可以簡(jiǎn)化程序猿對(duì)代碼的加鎖操作，降低死鎖的風(fēng)險(xiǎn)。
• （?？?/strong>）使? CopyOnWriteArrayList，這是一個(gè)寫(xiě)時(shí)復(fù)制的容器。

  • 原理：

    • 當(dāng)我們往?個(gè)容器添加元素的時(shí)候，不直接往當(dāng)前容器添加，而是先將當(dāng)前容器進(jìn)行Copy，復(fù)制出?個(gè)新的容器，然后新的容器里添加元素；
    • 添加完元素之后，再將原容器的引用指向新的容器。

  • 優(yōu)點(diǎn)：

    線程可以對(duì)CopyOnWrite原容器進(jìn)行并發(fā)的讀，而不需要加鎖，因?yàn)樵萜鞑粫?huì)添加任何元素，讀和寫(xiě)是不同的容器。在讀多寫(xiě)少的場(chǎng)景下，性能很高，不需要加鎖競(jìng)爭(zhēng)。

  • 缺點(diǎn)：

    占用內(nèi)存較多且新寫(xiě)的數(shù)據(jù)不能被第?時(shí)間讀取到。

public synchronized V get(Object key)
public synchronized V put(K key, V value)