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50个Java多线程面试题(上)

Java 语言一个重要的特点就是内置了对并发的支持,让 Java 大受企业和程序员的欢迎。大多数待遇丰厚的 Java 开发职位都要求开发者精通多线程技术并且有丰富的 Java 程序开发、调试、优化经验,所以线程相关的问题在面试中经常会被提到。

在典型的 Java 面试中, 面试官会从线程的基本概念问起, 如:为什么你需要使用线程, 如何创建线程,用什么方式创建线程比较好(比如: 继承 thread 类还是调用 Runnable 接口 ),然后逐渐问到并发问题像在 Java 并发编程的过程中遇到了什么挑战,Java 内存模型,JDK1.5 引入了哪些更高阶的并发工具,并发编程常用的 设计模式 ,经典多线程问题如生产者消费者,哲学家就餐,读写器或者简单的有界缓冲区问题。仅仅知道线程的基本概念是远远不够的, 你必须知道如何处理死锁,竞态条件,内存冲突和线程安全等并发问题。掌握了这些技巧,你就可以轻松应对多线程和并发面试了。

许多 Java 程序员在面试前才会去看面试题,这很正常。因为收集面试题和练习很花时间,所以我从许多面试者那里收集了 Java 多线程和并发相关的 50 个热门问题。我只收集了比较新的面试题且没有提供全部答案。想必聪明的你对这些问题早就心中有数了, 如果遇到不懂的问题,你可以用 Google 找到答案。若你实在找不到答案,可以在文章的评论中向我求助。

50 道 Java 线程面试题

下面是 Java 线程相关的热门面试题,你可以用它来好好准备面试。

1) 什么是线程?

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位,它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。程序员可以通过它进行多处理器编程,你可以使用多线程对运算密集型任务提速。比如,如果一个线程完成一个任务要 100 毫秒,那么用十个线程完成改任务只需 10 毫秒。Java 在语言层面对多线程提供了卓越的支持,它也是一个很好的卖点。

2) 线程和进程有什么区别?

线程是进程的子集,一个进程可以有很多线程,每条线程并行执行不同的任务。不同的进程使用不同的内存空间,而所有的线程共享一片相同的内存空间。别把它和栈内存搞混,每个线程都拥有单独的栈内存用来存储本地数据。

3) 如何在 Java 中实现线程?

在语言层面有两种方式。java.lang.Thread 类的实例就是一个线程但是它需要调用 java.lang.Runnable 接口来执行,由于线程类本身就是调用的 Runnable 接口所以你可以继承 java.lang.Thread 类或者直接调用 Runnable 接口来重写 run ()方法实现线程。

4) 用 Runnable 还是 Thread?

这个问题是上题的后续,大家都知道我们可以通过继承 Thread 类或者调用 Runnable 接口来实现线程,问题是,那个方法更好呢?什么情况下使用它?这个问题很容易回答,如果你知道 Java 不支持类的多重继承,但允许你调用多个接口。所以如果你要继承其他类,当然是调用 Runnable 接口好了。

5) Thread 类中的 start () 和 run () 方法有什么区别?

这个问题经常被问到,但还是能从此区分出面试者对 Java 线程模型的理解程度。start ()方法被用来启动新创建的线程,而且 start ()内部调用了 run ()方法,这和直接调用 run ()方法的效果不一样。当你调用 run ()方法的时候,只会是在原来的线程中调用,没有新的线程启动,start ()方法才会启动新线程。

6) Java 中 Runnable 和 Callable 有什么不同?

Runnable 和 Callable 都代表那些要在不同的线程中执行的任务。Runnable 从 JDK1.0 开始就有了,Callable 是在 JDK1.5 增加的。

它们的主要区别是 Callable 的 call () 方法可以返回值和抛出异常,而 Runnable 的 run ()方法没有这些功能。Callable 可以返回装载有计算结果的 Future 对象。

7) Java 中 CyclicBarrier 和 CountDownLatch 有什么不同?

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 都可以用来让一组线程等待其它线程。与 CyclicBarrier 不同的是,CountdownLatch 不能重新使用。

8) Java 内存模型是什么?

Java 内存模型规定和指引 Java 程序在不同的内存架构、CPU 和操作系统间有确定性地行为。它在多线程的情况下尤其重要。Java 内存模型对一个线程所做的变动能被其它线程可见提供了保证,它们之间是先行发生关系。这个关系定义了一些规则让程序员在并发编程时思路更清晰。比如,先行发生关系确保了:

线程内的代码能够按先后顺序执行,这被称为程序次序规则。
对于同一个锁,一个解锁操作一定要发生在时间上后发生的另一个锁定操作之前,也叫做管程锁定规则。
前一个对 Volatile 的写操作在后一个volatile的读操作之前,也叫volatile变量规则。
一个线程内的任何操作必需在这个线程的 start ()调用之后,也叫作线程启动规则。
一个线程的所有操作都会在线程终止之前,线程终止规则。
一个对象的终结操作必需在这个对象构造完成之后,也叫对象终结规则。
可传递性
我强烈建议大家阅读《Java 并发编程实践》第十六章来加深对 Java 内存模型的理解。

9) Java 中的 volatile 变量是什么?

volatile 是一个特殊的修饰符,只有成员变量才能使用它。在 Java 并发程序缺少同步类的情况下,多线程对成员变量的操作对其它线程是透明的。volatile 变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生,就是上一题的 volatile 变量规则。

10) 什么是线程安全?Vector 是一个线程安全类吗?
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。一个线程安全的计数器类的同一个实例对象在被多个线程使用的情况下也不会出现计算失误。很显然你可以将集合类分成两组,线程安全和非线程安全的。Vector 是用同步方法来实现线程安全的, 而和它相似的 ArrayList 不是线程安全的。

11) Java 中什么是竞态条件? 举个例子说明。

竞态条件会导致程序在并发情况下出现一些 bugs。多线程对一些资源的竞争的时候就会产生竞态条件,如果首先要执行的程序竞争失败排到后面执行了,那么整个程序就会出现一些不确定的 bugs。这种 bugs 很难发现而且会重复出现,因为线程间的随机竞争。一个例子就是无序处理。

12) Java 中如何停止一个线程?

Java 提供了很丰富的 API 但没有为停止线程提供 API。JDK 1.0 本来有一些像 stop (), suspend () 和 resume ()的控制方法但是由于潜在的死锁威胁因此在后续的 JDK 版本中他们被弃用了,之后 Java API 的设计者就没有提供一个兼容且线程安全的方法来停止一个线程。当 run () 或者 call () 方法执行完的时候线程会自动结束,如果要手动结束一个线程,你可以用 volatile 布尔变量来退出 run ()方法的循环或者是取消任务来中断线程。

13) 一个线程运行时发生异常会怎样?

这是我在一次面试中遇到的一个很刁钻的 Java 面试题 , 简单的说,如果异常没有被捕获该线程将会停止执行。

Thread.UncaughtExceptionHandler 是用于处理未捕获异常造成线程突然中断情况的一个内嵌接口。当一个未捕获异常将造成线程中断的时候 JVM 会使用 Thread.getUncaughtExceptionHandler ()来查询线程的 UncaughtExceptionHandler 并将线程和异常作为参数传递给 handler 的 uncaughtException ()方法进行处理。

14) 如何在两个线程间共享数据?

你可以通过共享对象来实现这个目的,或者是使用像阻塞队列这样并发的数据结构。这篇教程 《Java 线程间通信》 (涉及到在两个线程间共享对象)用 wait 和 notify 方法实现了生产者消费者模型。

15) Java 中 notify 和 notifyAll 有什么区别?

这又是一个刁钻的问题,因为多线程可以等待单监控锁,Java API 的设计人员提供了一些方法当等待条件改变的时候通知它们,但是这些方法没有完全实现。notify ()方法不能唤醒某个具体的线程,所以只有一个线程在等待的时候它才有用武之地。而 notifyAll ()唤醒所有线程并允许他们争夺锁确保了至少有一个线程能继续运行。

16) 为什么 wait, notify 和 notifyAll 这些方法不在 thread 类里面?

这是个设计相关的问题,它考察的是面试者对现有系统和一些普遍存在但看起来不合理的事物的看法。回答这些问题的时候,你要说明为什么把这些方法放在 Object 类里是有意义的,还有不把它放在 Thread 类里的原因。一个很明显的原因是 JAVA 提供的锁是对象级的而不是线程级的,每个对象都有锁,通过线程获得。如果线程需要等待某些锁那么调用对象中的 wait ()方法就有意义了。如果 wait ()方法定义在 Thread 类中,线程正在等待的是哪个锁就不明显了。简单的说,由于 wait,notify 和 notifyAll 都是锁级别的操作,所以把他们定义在 Object 类中因为锁属于对象。

17) 什么是 ThreadLocal 变量?

ThreadLocal 是 Java 里一种特殊的变量。每个线程都有一个 ThreadLocal 就是每个线程都拥有了自己独立的一个变量,竞争条件被彻底消除了。它是为创建代价高昂的对象获取线程安全的好方法,比如你可以用 ThreadLocal 让 SimpleDateFormat 变成线程安全的,因为那个类创建代价高昂且每次调用都需要创建不同的实例所以不值得在局部范围使用它,如果为每个线程提供一个自己独有的变量拷贝,将大大提高效率。首先,通过复用减少了代价高昂的对象的创建个数。其次,你在没有使用高代价的同步或者不变性的情况下获得了线程安全。线程局部变量的另一个不错的例子是 ThreadLocalRandom 类,它在多线程环境中减少了创建代价高昂的 Random 对象的个数。

18) 什么是 FutureTask?

在 Java 并发程序中 FutureTask 表示一个可以取消的异步运算。它有启动和取消运算、查询运算是否完成和取回运算结果等方法。只有当运算完成的时候结果才能取回,如果运算尚未完成 get 方法将会阻塞。一个 FutureTask 对象可以对调用了 Callable 和 Runnable 的对象进行包装,由于 FutureTask 也是调用了 Runnable 接口所以它可以提交给 Executor 来执行。

19) Java 中 interrupted 和 isInterruptedd 方法的区别?

interrupted () 和 isInterrupted ()的主要区别是前者会将中断状态清除而后者不会。Java 多线程的中断机制是用内部标识来实现的,调用Thread.interrupt ()来中断一个线程就会设置中断标识为 true。当中断线程调用静态方法Thread.interrupted ()来检查中断状态时,中断状态会被清零。而非静态方法 isInterrupted ()用来查询其它线程的中断状态且不会改变中断状态标识。简单的说就是任何抛出 InterruptedException 异常的方法都会将中断状态清零。无论如何,一个线程的中断状态有有可能被其它线程调用中断来改变。

20) 为什么 wait 和 notify 方法要在同步块中调用?

主要是因为 Java API 强制要求这样做,如果你不这么做,你的代码会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。还有一个原因是为了避免 wait 和 notify 之间产生竞态条件。

21) 为什么你应该在循环中检查等待条件?

处于等待状态的线程可能会收到错误警报和伪唤醒,如果不在循环中检查等待条件,程序就会在没有满足结束条件的情况下退出。因此,当一个等待线程醒来时,不能认为它原来的等待状态仍然是有效的,在 notify ()方法调用之后和等待线程醒来之前这段时间它可能会改变。这就是在循环中使用 wait ()方法效果更好的原因,你可以在 Eclipse 中创建模板调用 wait 和 notify 试一试。如果你想了解更多关于这个问题的内容,我推荐你阅读《Effective Java》这本书中的线程和同步章节。

22) Java 中的同步集合与并发集合有什么区别?

同步集合与并发集合都为多线程和并发提供了合适的线程安全的集合,不过并发集合的可扩展性更高。在 Java1.5 之前程序员们只有同步集合来用且在多线程并发的时候会导致争用,阻碍了系统的扩展性。Java5 介绍了并发集合像 ConcurrentHashMap,不仅提供线程安全还用锁分离和内部分区等现代技术提高了可扩展性。

23) Java 中堆和栈有什么不同?

为什么把这个问题归类在多线程和并发面试题里?因为栈是一块和线程紧密相关的内存区域。每个线程都有自己的栈内存,用于存储本地变量,方法参数和栈调用,一个线程中存储的变量对其它线程是不可见的。而堆是所有线程共享的一片公用内存区域。对象都在堆里创建,为了提升效率线程会从堆中弄一个缓存到自己的栈,如果多个线程使用该变量就可能引发问题,这时 volatile 变量就可以发挥作用了,它要求线程从主存中读取变量的值。

24) 什么是线程池? 为什么要使用它?

创建线程要花费昂贵的资源和时间,如果任务来了才创建线程那么响应时间会变长,而且一个进程能创建的线程数有限。为了避免这些问题,在程序启动的时候就创建若干线程来响应处理,它们被称为线程池,里面的线程叫工作线程。从 JDK1.5 开始,Java API 提供了 Executor 框架让你可以创建不同的线程池。比如单线程池,每次处理一个任务;数目固定的线程池或者是缓存线程池(一个适合很多生存期短的任务的程序的可扩展线程池)。

25) 如何写代码来解决生产者消费者问题?

在现实中你解决的许多线程问题都属于生产者消费者模型,就是一个线程生产任务供其它线程进行消费,你必须知道怎么进行线程间通信来解决这个问题。比较低级的办法是用 wait 和 notify 来解决这个问题,比较赞的办法是用 Semaphore 或者 BlockingQueue 来实现生产者消费者模型。

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