02.关于线程你必须知道的8个问题(上)
大家好,我是王有志,欢迎来到《Java面试都问啥?》的第一篇技术文章。
这个系列会从Java部分开始,接着是MySQL和Redis的内容,同时会继续更新数据结构与算法的部分,这样在第一阶段,我们就完成了面试“三幻神”的挑战。
Java的部分从并发编程开始,接着是Java虚拟机,最后是集合框架。至于Java基础,因为大部分只是API的使用,所以只提供整理好的题目,而涉及到反射,动态代理等内容,会在集合框架完成后补充。
那么话不多说,我们直接开始吧。
并发编程都问啥?
每个模块开始时,我都会放出这一模块中知识点的统计数据,供大家参考。
统计中,我将并发编程分为了5个知识点:
- 线程基础:线程的基本概念,Thread类的使用等;
- 线程池:线程池的原理,线程池的使用等;
- synchronized:原理,锁升级,优化等;
- volatile:原理,指令重排,JMM相关等;
- ThreadLocal:原理,使用方法,内存泄漏等;
- JUC:Lock接口,并发容器,CAS,AQS等。
统计到并发编程关键词174次,线程出现37次,线程池出现22次,synchronized出现30次,volatile出现12次,ThreadLocal出现8次,JUC出现44次,剩余21次仅提到多线程/并发编程。
从图中看,ThreadLocal和volatile出现概率较低,但个人建议面试准备中,并发编程的部分要全量准备。
数据大家都看到了,接下来看看各大公司都会问哪些关于线程的问题。这部分题目主要收集自某准网面经,浅紫色底色的题目是我和小伙伴在面试过程遇到过的。
MarkDown的表格实在太丑了,偷个懒使用图片代替了,文末附上整理后Excel的获取方式。
关于线程你必须知道的8个问题
涉及到概念性的题目就不过多赘述了,这些可以通过百度百科获取到答案。在这里我挑选了8道比较有代表性的问题,和大家分享我的理解。
并发编程的3要素
并发编程的3要素:
- 原子性:操作不可分割,要么不间断的全部执行,要么全部不执行;
- 有序性:指程序按照代码的顺序结构执行;
- 可见性:当一个线程修改了共享变量后,其它线程也是立即可见的。
概念很简单,我们写一些代码展示下有序性和可见性的问题(原子性实在没有想到很好的例子,有没有小伙伴提供示例呢)。
有序性问题
public static class Singleton {
private Singleton instance;
public Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
private Singleton() {
}
}
这是有序性问题的经典案例–未做同步控制的单例模式。当instance
还未初始化时,多个线程同时调用getInstance
方法,很容易出现其中一个线程获取到的instance
为NULL。
这里涉及Java创建对象的操作,CPU时间片分配的问题,解决它的办法也有很多,暂时按下不表,放到volatile
关键字的内容中详细解释。
可见性问题
private static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (flag) {
}
System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + ",flag:" + flag);
}, "block_thread").start();
TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(500);
new Thread(() -> {
flag = false;
System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + ",flag:" + flag);
}, "change_thread").start();
}
很明显,在change_thread中修改了flag,并不会使block_thread得到解脱,这就是共享变量在线程间不可见的问题。
Java创建线程的方式
通常网上的资料会给出4种创建线程的方式:
- 继承Thread类
- 实现Runnable接口
- 实现Callable接口
- 通过线程池创建
先不评价这个答案的正确性,我们先来看看继承Thread
类,实现Runnable
接口和实现Callable
接口是如何使用的。
继承Thread类
public class ByThread {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println("main的线程:" + Thread.currentThread().getName());
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();
}
static class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyThread的线程:" + Thread.currentThread().getName());
}
}
}
继承Thread
类要实现run
方法,用于完成业务逻辑,该方法来自于Runnable
接口。启动线程通过Thread.start
方法,方法内通过调用native方法start0
来启动线程。
实现Runnable接口
public class ByRunnable {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("main的线程:" + Thread.currentThread().getName());
new Thread(new MyRunnable()).start();
}
static class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyRunnable的线程:" + Thread.currentThread().getName());
}
}
}
实现Runnable
接口同样要实现run
方法,启动线程依旧是通过Thread.start
方法。
实质上继承Thread
类和实现Runnable
接口没有差别,只不过是隔代实现run
方法还是直接实现run
方法。
实现Callable接口
public class ByCallable {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
System.out.println("main的线程:" + Thread.currentThread().getName());
Callable<String> callable = new MyCallable();
FutureTask <String> futureTask = new FutureTask<>(callable);
new Thread(futureTask).start();
System.out.println("MyCallable的执行线程:" + futureTask.get());
}
static class MyCallable implements Callable<String> {
@Override
public String call() {
System.out.println("MyCallable的线程:" + Thread.currentThread().getName());
return Thread.currentThread().getName();
}
}
}
实现Callable
接口看起来会复杂一些,但通过代码可以看出来,最终还是回归到Thread.start
方法,根据经验,这种方式是不是和Runnable
有关系?
另外,我们注意到这种方式中借助到了FutureTask
类,来看看FutureTask
的继承关系:
不出所料,FutureTask
同样要实现Runnable.run
方法,只不过这次由FutureTask
实现,FutureTask
在run
方法中调用Callable.call
方法来执行业务逻辑。
我们来回顾下这3种方式的特点,启动线程都是通过Thread.start
方法,start
方法的基本执行单位是Runnable
接口,它们直接的差异在于如何实现Runnable.run
方法。另一个差异就是Callable.call
方法是有返回值的,而Runnable.run
方法没有返回值。
使用线程池
public class ByThreadPool {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("main的线程:" + Thread.currentThread().getName());
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程池的线程:" + Thread.currentThread().getName());
}
};
executorService.execute(runnable);
executorService.shutdown();
}
}
使用线程池依旧离不开Runnable.run
方法,会不会和Callable
一样本质上还是Thread.start
?
如果不熟悉ThreadPoolExecutor
源码的话,可以采用断点的方式去跟踪源码,重点关注ThreadPoolExecutor.execute
和ThreadPoolExecutor.addWorker
两个方法。
我们可以在addWorker
方法中发现两行关键代码:
final Thread t = w.thread;
t.start();
这证实了关于ThreadPoolExecutor
底层调用的猜想,最终依旧是通过Thread.start
方法启动。
回到最初的问题,Java有几种创建线程的方式?
如果从Java的层面来看,可以认为创建Thread
类的实例对象就完成了线程的创建,而调用Thread.start0
可以认为是操作系统层面的线程创建和启动。
至于网上说的4种创建线程的方式,个人认为将它们归类到线程中业务逻辑的实现方式更合理。
Java的线程状态
Java中定义了6种线程状态(与OS的线程状态有差别),线程状态的枚举类被定义为Thread
的内部类State
。
public enum State {
NEW,
RUNNABLE,
BLOCKED,
WAITING,
TIMED_WAITING,
TERMINATED;
}
需要注意,Java中并未定义线程的RUNNING状态,而是通过RUNNABLE包含了RUNNABLE(可运行)和RUNNING(运行中)。
建议大家阅读源码中的注释,很清晰的解释了每个状态的场景。下面我还是通过几段代码展示线程的不同状态。
Tips:代码中出现的TimeUnit.MILLISECONDS.sleep
是为了确保线程已经进入期望的状态,如果不能很好的理解,文末附有Gitee地址,工程中的代码有注释。
常规状态的转换
这里指的是线程从创建后(NEW),到启动后(RUNNABLE),再到最后终止(TERMINATED)的一种无竞争的线程状态转换。
- NEW(新建):创建线程后尚未启动(未调用
start
方法); - RUNNABLE(可运行):可运行状态的线程在Java虚拟机中等待调度线程选中获取CPU时间片;
- TERMINATED(终止):线程执行结束。
写一段简单的代码来看下:
public class NormalStateTransition {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
});
System.out.println("线程[" + thread.getName() + "]创建,状态:[" + thread.getState() + "]");
thread.start();
System.out.println("线程[" + thread.getName() + "]启动,状态:[" + thread.getState() + "]");
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println("线程[" + thread.getName() + "]结束,状态:[" + thread.getState() + "]");
}
}
代码非常简单,这里就不再解释了。
常规状态的转换:
阻塞状态的转换
阻塞状态是一种“异常”的状态,通常是在等待资源。
BLOCKED(阻塞):等待监视器锁而阻塞的线程状态,处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁进入同步的代码块/方法,或者在调用Object.wait
之后重新进入同步的代码块/方法。
再写一段代码:
public class BlockedStateTransition {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicBoolean locker = new AtomicBoolean(false);
new Thread(() -> {
synchronized (locker) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
Thread t = new Thread(() -> {
synchronized (locker) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程[" + Thread.currentThread().getName() + "]阻塞后,状态:[" + Thread.currentThread().getState() + "]");
}
});
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]创建,状态:[" + t.getState() + "]");
t.start();
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]启动,状态:[" + t.getState() + "]");
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]阻塞中,状态:[" + t.getState() + "]");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]结束,状态:[" + t.getState() + "]");
}
}
首先是匿名线程持有locker
,接着线程t启动,进入RUNNABLE状态,线程t尝试获取locker
,进入BLOCKED状态,等待后获取到locker
,进入RUNNABLE状态,最后执行结束,进入TERMINATED状态。
阻塞状态转换:
等待状态的转换
关于等待状态,Java源码的注释有详细描述如何进入等待状态,以及如何唤醒处于等待状态的线程:
Thread state for a waiting thread. A thread is in the waiting state due to calling one of the following methods:
Object.wait with no timeout
Thread.join with no timeout
LockSupport.park
A thread in the waiting state is waiting for another thread to perform a particular action. For example, a thread that has called Object.wait() on an object is waiting for another thread to call Object.notify() or Object.notifyAll() on that object. A thread that has called Thread.join() is waiting for a specified thread to terminate.
WAITING(等待):线程处于等待状态,处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行的特定操作(通知或中断)。
再再写一段代码:
public class WaitingStateTransition {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicBoolean locker = new AtomicBoolean(false);
Thread t = new Thread(() -> {
synchronized (locker) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
locker.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程[" + Thread.currentThread().getName() + "]唤醒,状态:[" + Thread.currentThread().getState() + "]");
}
});
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]创建,状态:[" + t.getState() + "]");
t.start();
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]启动,状态:[" + t.getState() + "]");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(150);
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]等待,状态:[" + t.getState() + "]");
new Thread(() -> {
synchronized (locker) {
locker.notify();
}
}).start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]结束,状态:[" + t.getState() + "]");
}
}
线程t创建后,进入NEW状态,启动后,进入RUNNABLE状态,locker.wait
后,进入WAITING状态,匿名线程启动,locker.notify
后,唤醒线程t,进入RUNNABLE状态,最后线程执行结束,进入TERMINATED状态。
等待状态的转换:
限时等待状态的转换
Java源码的注释上,也很详细的解释了如何进入限时等待:
Thread state for a waiting thread with a specified waiting time. A thread is in the timed waiting state due to calling one of the following methods with a specified positive waiting time:
Thread.sleep
Object.wait with timeout
Thread.join with timeout
LockSupport.parkNanos
LockSupport.parkUntil
TIMED_WAITING(限时等待):线程处于限时等待状态,与等待状态不同的是,在指定时间后,线程会被自动唤醒。
Tips:也有翻译成超时等待的,但是我觉得不太合适。
再再再写一段代码:
public class TimedWaitingStateTransition {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程[" + Thread.currentThread().getName() + "]限时等待后,状态:[" + Thread.currentThread().getState() + "]");
});
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]创建,状态:[" + t.getState() + "]");
t.start();
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]启动,状态:[" + t.getState() + "]");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]限时等待中,状态:[" + t.getState() + "]");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
System.out.println("线程[" + t.getName() + "]结束,状态:[" + t.getState() + "]");
}
}
线程t创建后,进入NEW状态,启动后进入RUNNABLE状态,线程休眠100ms,进入TIMED_WAITING状态,休眠时间结束后,进入RUNNABLE状态,最后线程执行结束,进入TERMINATED状态。
限时等待状态的转换:
线程状态转换总结
上面我们通过4段代码了解了线程状态的转换,下面我们通过一张图来总结下线程的状态转换。
结语
今天分享了并发编程的统计数据,因此面试题目较少,不过还是希望对你有帮助。
下一篇内容是剩余的5个知识点(如果一篇能够写完的话):
- Thread类核心方法
- 同步与互斥
- Java线程调度方式
- 死锁的产生与解决
- 多线程的优点
本篇文章的代码仓库:
- 并发3要素问题
- 线程实现方式
- 线程状态转换
关注王有志,回复面试题合集获取整理后的面试题(正在同步更新,可以持续关注)。
好了,今天就到这里了,Bye~~