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JavaInterviewHub 提交于 2021-03-18 21:23 . update Java高并发.md.

Java高并发

1.什么是进程

进程是指运行中的应用程序,每个进程都有自己独立的地址空间(内存空间)。 比如用户点击桌面的IE浏览器,就启动了一个进程,操作系统就会为该进程分配独立的地址空间。当用户再次点击左边的IE浏览器,又启动了一个进程,操作系统将为新的进程分配新的独立的地址空间。目前操作系统都支持多进程。

2.什么是线程

进程是表示自愿分配的基本单位。而线程则是进程中执行运算的最小单位,即执行处理机调度的基本单位。通俗来讲:一个程序有一个进程,而一个进程可以有多个线程。

3.进程间如何通讯

管道(pipe)

管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系 有名管道(namedpipe)

有名管道也是半双工的通信方式,但是它云溪无亲缘关系进程间的通信。 信号量(semaphore)

信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。 消息队列(messagequeue)

消息队列里有消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递消息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点 信号(signal)

信号是一种比较复杂的通信方式,用于通知接收进程某个事件已经发生 共享内存(shared memory)

共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的IPC方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号量配合使用,来实现进程间的同步和通信。 套接字(socket)

套接口也是一种进程间通信机制,以其他通信机制不同的是,它可用于不同进程间的通信

4.线程间如何通讯

锁机制:包括互斥锁、条件变量、读写锁

互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法 读写锁允许多个线程同时读共享数据,而对写操作是互斥的 条件变量可以以原子的方式阻塞进程,直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。 信号量机制:包括无名线程信号量和命名线程信号量

信号机制:类似进程间的信号处理 线程间的通信目的只要是用于新城同步,所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。

5.同步和异步有何不同,在什么情况下分别使用它们?举例说明

如果数据将在线程间共享。例如:正在写的数据以后可能会被另一个线程读到,或者正在读的数据可能已经被另一个线程写过了,那么这些数据就是共享数据,必须进行同步存取 当应用程序在对象上调用了一个需要花费很长时间来执行的方法,并且不希望让程序等待方法的返回时,就应该使用异步编程,在很多情况下采用异步途径往往更有效。 同步交互:指发送一个请求,需要等待返回,然后才能发送下一个请求,有个等待的过程 异步交互:指发送一个请求,不需要等待返回,随时可以再发送下一个请求,即不需要等待。 区别:一个需要等待,一个不需要等待

6.进程调度算法

实时系统:FIFO(First Input First Output,先进先出算法),SJF(Shortest Job First,最短作业优先算法),SRTF(Shortest Remaining Time First,最短剩余时间优先算法)。 交互式系统:RR(Round Robin,时间片轮转算法),HPF(Highest Priority First,最高优先级算法),多级队列,最短进程优先,保证调度,彩票调度,公平分享调度。

7.Java中Unsafe类详解

  1. 通过Unsafe类可以分配内存,可以释放内存;类中提供的3个本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分别用于分配内存,扩充内存和释放内存,与C语言中的3个方法对应。
  2. 可以定位对象某字段的内存位置,也可以修改对象的字段值,即使它是私有的;
  3. 挂起与恢复:将一个线程进行挂起是通过park方法实现的,调用 park后,线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程,使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中,LockSupport类中有各种版本pack方法,但最终都调用了Unsafe.park()方法。
  4. cas Java中Unsafe类详解

8.如何测试并发量?

可以使用apache提供的ab工具测试。

9.有三个线程T1,T2,T3,怎么确保它们按顺序执行?

在多线程中有多种方法让线程按特定顺序执行,你可以用线程类的join()方法在一个线程中启动另一个线程,另外一个线程完成该线程继续执行。为了确保三个线程的顺序你应该先启动最后一个(T3调用T2,T2调用T1),这样T1就会先完成而T3最后完成。

10.什么是线程调度器(Thread Scheduler)和时间分片(Time Slicing)?

 线程调度器是一个操作系统服务,它负责为Runnable状态的线程分配CPU时间。一旦我们创建一个线程并启动它,它的执行便依赖于线程调度器的实现。

  时间分片是指将可用的CPU时间分配给可用的Runnable线程的过程。分配CPU时间可以基于线程优先级或者线程等待的时间。线程调度并不受到Java虚拟机控制,所以由应用程序来控制它是更好的选择(即最好不要让你的程序依赖于线程的优先级)。

11.数据库死锁?

在执行一个事务时可能要获取多个锁,一直持有锁到事务提交,如果A事务需要获取的锁在另一个事务B中,且B事务也在等待A事务所持有的锁,那么两个事务之间就会发生死锁。但数据库死锁比较少见,数据库会加以干涉死锁问题,牺牲一个事务使得其他事务正常执行。

12.什么是锁顺序死锁?

两个线程试图以不同的顺序获得相同的锁,那么可能发发生死锁。比如转账问题,由from账户向to账户转账,假设每次我们先同步from对象,再同步to账户,然后执行转账操作,貌似没什么问题。如果这时候to账户同时向from账户转账,那么两个线程可能要永久等待了。

13.死锁的避免与诊断?

如果一个线程最多只能获取一个锁,那么就不会发生锁顺序死锁了。如果确实需要获取多个锁,锁的顺序可以按照某种规约,比如两个资源的id值,程序按规约保证获取锁的顺序一致。或者可以使用显式的锁Lock,获取锁的时候设置超时时间,超时后可以重新发起,以避免发生死锁。

14.常见的并发容器?

ConcurrentHashMap:使用了分段锁,锁的粒度变得更小,多线程访问时,可能都不存在锁的竞争,所以大大提高了吞吐量。简单对比来看,就好比数据库上用行锁来取代表锁,行锁无疑带来更大的并发。 CopyOnWriteArrayList:写入时复制,多线程访问时,彼此不会互相干扰或被修改的线程所干扰,当然copy时有开销的,尤其时列表元素庞大,且写入操作频繁时,所以仅当迭代操作远远大于修改操作时,才应该考虑使用。 BlockingQueue:阻塞队列提供了可阻塞的put和take方法,当队列已经满了,那么put操作将阻塞到队列可用,当队列为空时,take操作会阻塞到队列里有数据。有界的队列是一种强大的资源管理器,可以在程序负荷过载时保护应用,可作为一种服务降级的策略。阻塞队列还提供offer操作,当数据无法加入队列时,返回失败状态,给应用主动处理负荷过载带来更多灵活性。

15.常见的同步工具类?

CountDownLatch:递减计数器闭锁,直到达到某个条件时才放行,多线程可以调用await方法一直阻塞,直到计数器递减为零。比如我们连接zookeeper,由于连接操作是异步的,所以可以使用countDownLatch创建一个计数器为1的锁,连接挂起,当异步连接成功时,调用countDown通知挂起线程;再比如5V5游戏竞技,只有房间人满了才可以开始游戏。 FutureTask:带有计算结果的任务,在计算完成时才能获取结果,如果计算尚未完成,则阻塞 get 方法。FutureTask将计算结果从执行线程传递到获取这个结果的线程。 Semaphore:信号量,用来控制同时访问某个特定资源的数量,只有获取到许可acquire,才能够正常执行,并在完成后释放许可,acquire会一致阻塞到有许可或中断超时。使用信号量可以轻松实现一个阻塞队列。 CyclicBarrier:类似于闭锁,它可以阻塞一组线程,只有所有线程全部到达以后,才能够继续执行,so线程必须相互等待。这在并行计算中是很有用的,将一个问题拆分为多个独立的子问题,当线程到达栅栏时,调用await等待,一直阻塞到所有参与线程全部到达,再执行下一步任务。

16.Nginx多进程模型是如何实现高并发的?

进程数与并发数不存在很直接的关系。这取决取server采用的工作方式。如果一个server采用一个进程负责一个request的方式,那么进程数就是并发数。那么显而易见的,就是会有很多进程在等待中。等什么?最多的应该是等待网络传输。

Nginx的异步非阻塞工作方式正是利用了这点等待的时间。在需要等待的时候,这些进程就空闲出来待命了。因此表现为少数几个进程就解决了大量的并发问题。apache是如何利用的呢,简单来说:同样的4个进程,如果采用一个进程负责一个request的方式,那么,同时进来4个request之后,每个进程就负责其中一个,直至会话关闭。期间,如果有第5个request进来了。就无法及时反应了,因为4个进程都没干完活呢,因此,一般有个调度进程,每当新进来了一个request,就新开个进程来处理。nginx不这样,每进来一个request,会有一个worker进程去处理。但不是全程的处理,处理到什么程度呢?处理到可能发生阻塞的地方,比如向上游(后端)服务器转发request,并等待请求返回。那么,这个处理的worker不会这么傻等着,他会在发送完请求后,注册一个事件:“如果upstream返回了,告诉我一声,我再接着干”。于是他就休息去了。此时,如果再有request进来,他就可以很快再按这种方式处理。而一旦上游服务器返回了,就会触发这个事件,worker才会来接手,这个request才会接着往下走。由于web server的工作性质决定了每个request的大部份生命都是在网络传输中,实际上花费在server机器上的时间片不多。这是几个进程就解决高并发的秘密所在。webserver刚好属于网络io密集型应用,不算是计算密集型。异步,非阻塞,使用epoll,和大量细节处的优化。也正是nginx之所以然的技术基石。

17.CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList : 写时加锁,当添加一个元素的时候,将原来的容器进行copy,复制出一个新的容器,然后在新的容器里面写,写完之后再将原容器的引用指向新的容器,而读的时候是读旧容器的数据,所以可以进行并发的读,但这是一种弱一致性的策略。 使用场景:CopyOnWriteArrayList适合使用在读操作远远大于写操作的场景里,比如缓存。

18.AQS

  1. AQS使用一个int成员变量来表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。
private volatile int state;//共享变量,使用volatile修饰保证线程可见性
  • 1
  1. 2种同步方式:独占式,共享式。独占式如ReentrantLock,共享式如Semaphore,CountDownLatch,组合式的如ReentrantReadWriteLock

  2. 节点的状态 CANCELLED,值为1,表示当前的线程被取消; SIGNAL,值为-1,表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行,也就是unpark; CONDITION,值为-2,表示当前节点在等待condition,也就是在condition队列中; PROPAGATE,值为-3,表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行; 值为0,表示当前节点在sync队列中,等待着获取锁。

  3. 模板方法模式

     protected boolean tryAcquire(int arg) : 独占式获取同步状态,试着获取,成功返回true,反之为false

     protected boolean tryRelease(int arg) :独占式释放同步状态,等待中的其他线程此时将有机会获取到同步状态;

     protected int tryAcquireShared(int arg) :共享式获取同步状态,返回值大于等于0,代表获取成功;反之获取失败;

     protected boolean tryReleaseShared(int arg) :共享式释放同步状态,成功为true,失败为false

    AQS维护一个共享资源state,通过内置的FIFO来完成获取资源线程的排队工作。该队列由一个一个的Node结点组成,每个Node结点维护一个prev引用和next引用,分别指向自己的前驱和后继结点。双端双向链表。

    1. 独占式:乐观的并发策略 acquire  a.首先tryAcquire获取同步状态,成功则直接返回;否则,进入下一环节; b.线程获取同步状态失败,就构造一个结点,加入同步队列中,这个过程要保证线程安全;  c.加入队列中的结点线程进入自旋状态,若是老二结点(即前驱结点为头结点),才有机会尝试去获取同步状态;否则,当其前驱结点的状态为SIGNAL,线程便可安心休息,进入阻塞状态,直到被中断或者被前驱结点唤醒。 release release的同步状态相对简单,需要找到头结点的后继结点进行唤醒,若后继结点为空或处于CANCEL状态,从后向前遍历找寻一个正常的结点,唤醒其对应线程。
  4. 共享式: 共享式地获取同步状态.同步状态的方法tryAcquireShared返回值为int。 a.当返回值大于0时,表示获取同步状态成功,同时还有剩余同步状态可供其他线程获取;  b.当返回值等于0时,表示获取同步状态成功,但没有可用同步状态了;  c.当返回值小于0时,表示获取同步状态失败。

  5. AQS实现公平锁和非公平锁 非公平锁中,那些尝试获取锁且尚未进入等待队列的线程会和等待队列head结点的线程发生竞争。公平锁中,在获取锁时,增加了isFirst(current)判断,当且仅当,等待队列为空或当前线程是等待队列的头结点时,才可尝试获取锁。  Java并发包基石-AQS详解

19.Java里的阻塞队列

7个阻塞队列。分别是

ArrayBlockingQueue :一个由数组结构组成的有界阻塞队列。 LinkedBlockingQueue :一个由链表结构组成的有界阻塞队列。 PriorityBlockingQueue :一个支持优先级排序的无界阻塞队列。 DelayQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。 SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列。 LinkedTransferQueue:一个由链表结构组成的无界阻塞队列。 LinkedBlockingDeque:一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

添加元素

Java中的阻塞队列接口BlockingQueue继承自Queue接口。BlockingQueue接口提供了3个添加元素方法。 add:添加元素到队列里,添加成功返回true,由于容量满了添加失败会抛出IllegalStateException异常 offer:添加元素到队列里,添加成功返回true,添加失败返回false put:添加元素到队列里,如果容量满了会阻塞直到容量不满

删除方法

3个删除方法 poll:删除队列头部元素,如果队列为空,返回null。否则返回元素。 remove:基于对象找到对应的元素,并删除。删除成功返回true,否则返回false take:删除队列头部元素,如果队列为空,一直阻塞到队列有元素并删除

20.Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java 7提供的一个用于并行执行任务的框架,是一个把大任务分割成若干个小任务,最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。Fork/Join框架要完成两件事情:

  1.任务分割:首先Fork/Join框架需要把大的任务分割成足够小的子任务,如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割

  2.执行任务并合并结果:分割的子任务分别放到双端队列里,然后几个启动线程分别从双端队列里获取任务执行。子任务执行完的结果都放在另外一个队列里,启动一个线程从队列里取数据,然后合并这些数据。

  在Java的Fork/Join框架中,使用两个类完成上述操作

  1.ForkJoinTask:我们要使用Fork/Join框架,首先需要创建一个ForkJoin任务。该类提供了在任务中执行fork和join的机制。通常情况下我们不需要直接集成ForkJoinTask类,只需要继承它的子类,Fork/Join框架提供了两个子类:

    a.RecursiveAction:用于没有返回结果的任务

    b.RecursiveTask:用于有返回结果的任务

  2.ForkJoinPool:ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行

  任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中,进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时,它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务(工作窃取算法)。 Fork/Join框架的实现原理   ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成,ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool,而ForkJoinWorkerThread负责执行这

参考链接

https://blog.csdn.net/weixin_41050155/article/details/88047556

https://www.cnblogs.com/jjunior/p/14113248.html

http://www.bjpowernode.com/tutorial_baseinterviewquestions/228.html

https://www.cnblogs.com/yang-yutao/p/11553044.html

https://blog.csdn.net/qq_20980207/article/details/98846287

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