java多線程和並發基礎面試問答

多執行緒和並發問題是Java技術面試中面試官比較喜歡問的問題之一。在這裡，從面試的角度列出了大部分重要的問題，但是你仍然應該牢固的掌握Java多線程基礎知識來對應日後碰到的問題。

　Java多執行緒面試問題

　　1. 進程和執行緒之間有什麼不同？

　　一個進程是一個獨立(self contained)的運作環境，它可以被看作一個程式或一個應用。而執行緒是在行程中執行的一個任務。 Java運行環境是一個包含了不同的類別和程式的單一流程。執行緒可以被稱為輕量級進程。執行緒需要較少的資源來創建和駐留在進程中，並且可以共享進程中的資源。

　　2. 多執行緒程式設計的好處是什麼？

　　在多執行緒程式中，多個執行緒被並發的執行以提高程式的效率，CPU不會因為某個執行緒需要等待資源而進入空閒狀態。多個線程共享堆記憶體(heap memory)，因此創建多個線程去執行一些任務會比創建多個進程更好。舉個例子，Servlets比CGI更好，是因為Servlets支援多執行緒而CGI不支援。

　　3. 使用者線程和守護線程有什麼區別？

　　當我們在Java程式中建立一個線程，它就被稱為使用者線程。一個守護線程是在後台執行並且不會阻止JVM終止的線程。當沒有用戶執行緒在運行的時候，JVM關閉程式並且退出。一個守護線程創建的子線程仍然是守護線程。

　4. 我們如何建立一個執行緒？

　　有兩種創建線程的方法：一是實作Runnable接口，然後將它傳遞給Thread的建構函數，並建立一個Thread物件；二是直接繼承Thread類別。若想了解更多可以閱讀這篇關於如何在Java中建立線程的文章。

　　5. 有哪些不同的執行緒生命週期？

　　當我們在Java程式中新建一個執行緒時，它的狀態是New。當我們呼叫線程的start()方法時，狀態被改變為Runnable。執行緒調度器會為Runnable執行緒池中的執行緒分配CPU時間並且講它們的狀態改變為Running。其他的執行緒狀態還有Waiting，Blocked 和Dead。讀這篇文章可以了解更多關於線程生命週期的知識。

　　6. 可以直接呼叫Thread類別的run()方法麼？

　　當然可以，但是如果我們呼叫了Thread的run()方法，它的行為就會和普通的方法一樣，為了在新的執行緒中執行我們的程式碼，必須使用Thread.start()方法。

　　7. 如何讓正在運行的執行緒暫停一段時間？

　　我們可以使用Thread類別的Sleep()方法讓執行緒暫停一段時間。需要注意的是，這不會讓線程終止，一旦從休眠中喚醒線程，線程的狀態將會改變為Runnable，並且根據線程調度，它將執行。

　　8. 你對執行緒優先權的理解是什麼？

　　每一個執行緒都是有優先權的，一般來說，高優先權的執行緒在運行時會具有優先權，但這依賴於執行緒調度的實現，這個實作是和作業系統相關的(OS dependent) 。我們可以定義執行緒的優先權，但是這並不能保證高優先權的執行緒會在低優先權的執行緒前執行。執行緒優先權是一個int變數(從1-10)，1代表最低優先權，10代表最高優先權。

　9. 什麼是執行緒調度器(Thread Scheduler)和時間分片(Time Slicing)？

　　執行緒調度器是一個作業系統服務，它負責為Runnable狀態的執行緒分配CPU時間。一旦我們創建一個線程並啟動它，它的執行便依賴線程調度器的實作。時間分片是指將可用的CPU時間分配給可用的Runnable執行緒的過程。分配CPU時間可以基於執行緒優先權或執行緒等待的時間。執行緒調度並不受到Java虛擬機器控制，所以由應用程式控制它是更好的選擇（也就是說不要讓你的程式依賴執行緒的優先權）。

　　10. 在多執行緒中，什麼是上下文切換(context-switching)？

　　上下文切換是儲存和恢復CPU狀態的過程，它使得執行緒執行能夠從中斷點恢復執行。上下文切換是多任務作業系統和多執行緒環境的基本特徵。

　　11. 你如何確保main()方法所在的執行緒是Java程式最後結束的執行緒？

　　我們可以使用Thread類別的joint()方法來確保所有程式建立的執行緒在main()方法退出前結束。這裡有一篇文章關於Thread類別的joint()方法。

　　12.執行緒之間是如何通訊的？

　　當執行緒間是可以共享資源時，執行緒間通訊是協調它們的重要的手段。 Object類別中wait()notify()notifyAll()方法可以用於執行緒間通訊關於資源的鎖的狀態。點擊這裡有更多關於線程wait, notify和notifyAll.

　　13.為什麼線程通信的方法wait(), notify()和notifyAll()被定義在Object類別裡？

　　Java的每個物件中都有一個鎖(monitor，也可以成為監視器) 並且wait()，notify()等方法用於等待物件的鎖或通知其他執行緒物件的監視器可用。在Java的執行緒中並沒有可供任何物件使用的鎖和同步器。這就是為什麼這些方法是Object類別的一部分，這樣Java的每一個類別都有用於執行緒間通訊的基本方法

　14. 為什麼wait(), notify()和notifyAll()必須在同步方法或同步區塊中被調用？

　　當一個執行緒需要呼叫物件的wait()方法的時候，這個執行緒必須擁有該物件的鎖，接著它就會釋放這個物件鎖並進入等待狀態直到其他執行緒呼叫這個物件上的notify()方法。同樣的，當一個執行緒需要呼叫物件的notify()方法時，它會釋放這個物件的鎖，以便其他在等待的執行緒就可以得到這個物件鎖。由於所有的這些方法都需要執行緒持有物件的鎖，這樣就只能透過同步來實現，所以他們只能在同步方法或同步區塊中被呼叫。

　　15. 為什麼Thread類別的sleep()和yield()方法是靜態的？

　　Thread類別的sleep()和yield()方法將在目前正在執行的執行緒上執行。所以在其他處於等待狀態的執行緒上呼叫這些方法是沒有意義的。這就是為什麼這些方法是靜態的。它們可以在目前正在執行的執行緒中工作，並避免程式設計師錯誤的認為可以在其他非運行執行緒呼叫這些方法。

　　16.如何確保執行緒安全？

　　在Java中可以有很多方法來確保線程安全——同步，使用原子類(atomic concurrent classes)，實現並發鎖，使用volatile關鍵字，使用不變類和線程安全類。在線程安全教程中，你可以學到更多。

　　17. volatile關鍵字在Java中有什麼作用？

　　當我們使用volatile關鍵字去修飾變數的時候，所以執行緒都會直接讀取該變數並且不快取它。這就確保了線程讀取到的變數是同記憶體中是一致的。

　　18. 同步方法和同步區塊，哪個是更好的選擇？

　　同步塊是更好的選擇，因為它不會鎖住整個物件（當然你也可以讓它鎖住整個物件）。同步方法會鎖住整個對象，即使這個類別中有多個不相關聯的同步區塊，這通常會導致他們停止執行並需要等待獲得這個物件上的鎖。

　　19.如何建立守護線程？

　　使用Thread類別的setDaemon(true)方法可以將線程設為守護線程，需要注意的是，需要在呼叫start()方法前呼叫這個方法，否則會拋出IllegalThreadStateException異常。

　　20. 什麼是ThreadLocal?

　　ThreadLocal用於創建線程的本地變量，我們知道一個物件的所有線程會共享它的全域變量，所以這些變數不是線程安全的，我們可以使用同步技術。但是當我們不想使用同步的時候，我們可以選擇ThreadLocal變數。

　　每個執行緒都會擁有自己的Thread變量，它們可以使用get()set()方法去取得他們的預設值或是在執行緒內部改變他們的值。 ThreadLocal實例通常是希望它們同線程狀態關聯起來是private static屬性。在ThreadLocal範例這篇文章中你可以看到一個關於ThreadLocal的小程式。

　21. 什麼是Thread Group？為什麼建議使用它？

　　ThreadGroup是一個類，它的目的是提供關於線程組的資訊。

　　ThreadGroup API比較薄弱，它並沒有比Thread提供了更多的功能。它有兩個主要的功能：一是取得線程組中處於活躍狀態線程的列表；二是設定為線程設定未捕獲異常處理器(ncaught exception handler)。但在Java 1.5中Thread類別也加入了setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh) 方法，所以ThreadGroup是已經過時的，不建議繼續使用。

t1.setUncaughtExceptionHandler(new UncaughtExceptionHandler(){
 
@Override
public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
System.out.println("exception occured:"+e.getMessage());
}
 
});

　22. 什麼是Java線程轉儲(Thread Dump)，如何得到它？

　　線程轉儲是一個JVM活動線程的列表，它對於分析系統瓶頸和死鎖非常有用。有很多方法可以取得線程轉儲——使用Profiler，Kill -3命令，jstack工具等等。我更喜歡jstack工具，因為它容易使用且是JDK自備的。由於它是一個基於終端的工具，所以我們可以編寫一些腳本去定時的產生線程轉儲以待分析。讀這篇文件可以了解更多關於產生線程轉儲的知識。

　　23. 什麼是死鎖(Deadlock)？如何分析和避免死鎖？

　　死鎖是指兩個以上的線程永遠阻塞的情況，這種情況產生至少需要兩個以上的線程和兩個以上的資源。

　　分析死鎖，我們需要查看Java應用程式的執行緒轉儲。我們需要找出那些狀態為BLOCKED的執行緒和他們等待的資源。每個資源都有一個唯一的id，用這個id我們可以找出哪些執行緒已經擁有了它的物件鎖。

　　避免嵌套鎖，只在需要的地方使用鎖和避免無限期等待是避免死鎖的通常辦法，閱讀這篇文章去學習如何分析死鎖。

　　24. 什麼是Java Timer類別？如何建立一個有特定時間間隔的任務？

　　java.util.Timer是一個工具類，可以用來安排一個執行緒在未來的某個特定時間執行。 Timer類別可以用安排一次性任務或週期任務。

　　java.util.TimerTask是一個實作了Runnable介面的抽象類，我們需要去繼承這個類別來建立我們自己的定時任務並使用Timer去排程它的執行。

　　這裡有關於java Timer的例子。

　　25. 什麼是執行緒池？如何建立一個Java執行緒池？

　　一個線程池管理了一組工作線程，同時它還包括了一個用於放置等待執行的任務的佇列。

　　java.util.concurrent.Executors提供了一個 java.util.concurrent.Executor介面的實作用於建立執行緒池。線程池範例展現如何建立和使用線程池，或閱讀ScheduledThreadPoolExecutor例子，了解如何建立一個週期任務。

　Java並發面試問題

　　1. 什麼是原子操作？在Java Concurrency API有哪些原子類(atomic classes)？

　　原子操作是指一個不受其他操作影響的操作任務單元。原子操作是在多執行緒環境下避免資料不一致必須的手段。

　　int++並不是一個原子操作，所以當一個執行緒讀取它的值並加1時，另外一個執行緒有可能會讀到先前的值，這就會引發錯誤。

　　為了解決這個問題，必須確保增加操作是原子的，在JDK1.5之前我們可以使用同步技術來做到這一點。到JDK1.5，java.util.concurrent.atomic套件提供了int和long類型的裝類，它們可以自動的保證對於他們的操作是原子的並且不需要使用同步。可以閱讀這篇文章來了解Java的atomic類別。

　　2. Java Concurrency API中的Lock介面(Lock interface)是什麼？對比同步它有什麼優點？

　　Lock介面比同步方法和同步區塊提供了更具擴充性的鎖定操作。他們允許更靈活的結構，可以具有完全不同的性質，並且可以支援多個相關類別的條件物件。

　　它的優點有：

可以使鎖更公平

可以使線程在等待鎖的時候響應中斷

可以讓線程嘗試獲取鎖，並在無法獲取鎖的時候立即返回或者等待一段時間

可以讓線程嘗試獲取鎖，並在無法獲取鎖的時候立即返回或者等待一段時間

可以讓線程嘗試獲取鎖，並在無法獲取鎖的時候立即返回或者等待一段時間

可以在不同的範圍，以不同的順序獲取和釋放鎖

　　閱讀更多關於鎖的例子

　　3. 什麼是Executors框架？

　　Executor框架同java.util.concurrent.Executor 介面在Java 5中被引入。 Executor框架是一個根據一組執行策略調用，調度，執行和控制的非同步任務的框架。

　　無限制的建立執行緒會造成應用程式記憶體溢位。所以創建一個線程池是個更好的解決方案，因為可以限制線程的數量並且可以回收再利用這些線程。利用Executors框架可以非常方便的建立一個執行緒池，閱讀這篇文章可以了解如何使用Executor框架建立一個執行緒池。

　　4. 什麼是阻塞隊列？如何使用阻塞隊列來實現生產者-消費者模型？

　　java.util.concurrent.BlockingQueue的特性是：當佇列是空的時，從佇列中取得或刪除元素的操作將會被阻斷，或當佇列是滿時，往佇列中加入元素的操作會被阻塞。

　　阻塞佇列不接受空值，當你嘗試在佇列中加入空值的時候，它會拋出NullPointerException。

　　阻塞隊列的實作都是線程安全的，所有的查詢方法都是原子的並且使用了內部鎖或者其他形式的並發控制。

　　BlockingQueue 介面是java collections框架的一部分，它主要用於實現生產者-消費者問題。

　　閱讀這篇文章了解如何使用阻塞隊列實現生產者-消費者問題。

　　5. 什麼是Callable和Future?

　　Java 5在concurrency包中引入了java.util.concurrent.Callable 接口，它和Runnable接口很相似，但它可以返回一個對像或拋出一個異常。

　　Callable介面使用泛型去定義它的回傳類型。 Executors類別提供了一些有用的方法去在執行緒池中執行Callable內的任務。由於Callable任務是並行的，我們必須等待它回傳的結果。 java.util.concurrent.Future物件為我們解決了這個問題。在執行緒池提交Callable任務後傳回了一個Future對象，使用它我們可以知道Callable任務的狀態和得到Callable回傳的執行結果。 Future提供了get()方法讓我們可以等待Callable結束並取得它的執行結果。

　　閱讀這篇文章以了解更多關於Callable，Future的範例。

　　6. 什麼是FutureTask?

　　FutureTask是Future的一個基礎實現，我們可以將它同Executors使用處理異步任務。通常我們不需要使用FutureTask類，單當我們打算重寫Future介面的一些方法並保持原來基礎的實作是，它就變得非常有用。我們可以僅僅繼承於它並重寫我們需要的方法。閱讀Java FutureTask例子，學習如何使用它。

　　7.什麼是並發容器的實作？

　　Java集合類別都是快速失敗的，這意味著當集合被改變且一個線程在使用迭代器遍歷集合的時候，迭代器的next()方法將拋出ConcurrentModificationException異常。

　　並發容器支援並發的遍歷和並發的更新。

　　主要的類別有ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 和CopyOnWriteArraySet，閱讀這篇文章了解如何避免ConcurrentModificationException。

　　8. Executors類是什麼？

　　Executors為Executor，ExecutorService，ScheduledExecutorService，ThreadFactory和Callable類別提供了一些工具方法。

　　Executors可以用於方便的建立執行緒池。 🎜🎜🎜🎜