11 道 JUC 面试题总结(含答案解析和思维导图)

前言

关于 Java 面试中 JUC 系列面试知识点程序员小吴总结了一个思维导图,分享给大家。

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100 道 Java 面试题汇总 PDF 下载(含答案解析和思维导图)

Q1:什么是 CAS?

CAS 表示 Compare And Swap,比较并交换,CAS 需要三个操作数,分别是内存位置 V、旧的预期值 A 和准备设置的新值 B。CAS 指令执行时,当且仅当 V 符合 A 时,处理器才会用 B 更新 V 的值,否则它就不执行更新。但不管是否更新都会返回 V 的旧值,这些处理过程是原子操作,执行期间不会被其他线程打断。

在 JDK 5 后,Java 类库中才开始使用 CAS 操作,该操作由 Unsafe 类里的 compareAndSwapInt 等几个方法包装提供。HotSpot 在内部对这些方法做了特殊处理,即时编译的结果是一条平台相关的处理器 CAS 指令。Unsafe 类不是给用户程序调用的类,因此 JDK9 前只有 Java 类库可以使用 CAS,譬如 juc 包里的 AtomicInteger类中 compareAndSet 等方法都使用了Unsafe 类的 CAS 操作实现。


Q2:CAS 有什么问题?

CAS 从语义上来说存在一个逻辑漏洞:如果 V 初次读取时是 A,并且在准备赋值时仍为 A,这依旧不能说明它没有被其他线程更改过,因为这段时间内假设它的值先改为 B 又改回 A,那么 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

这个漏洞称为 ABA 问题,juc 包提供了一个 AtomicStampedReference,原子更新带有版本号的引用类型,通过控制变量值的版本来解决 ABA 问题。大部分情况下 ABA 不会影响程序并发的正确性,如果需要解决,传统的互斥同步可能会比原子类更高效。


Q3:有哪些原子类?

JDK 5 提供了 java.util.concurrent.atomic 包,这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。到 JDK 8 该包共有17个类,依据作用分为四种:原子更新基本类型类、原子更新数组类、原子更新引用类以及原子更新字段类,atomic 包里的类基本都是使用 Unsafe 实现的包装类。

AtomicInteger 原子更新整形、 AtomicLong 原子更新长整型、AtomicBoolean 原子更新布尔类型。

AtomicIntegerArray,原子更新整形数组里的元素、 AtomicLongArray 原子更新长整型数组里的元素、 AtomicReferenceArray 原子更新引用类型数组里的元素。

AtomicReference 原子更新引用类型、AtomicMarkableReference 原子更新带有标记位的引用类型,可以绑定一个 boolean 标记、 AtomicStampedReference 原子更新带有版本号的引用类型,关联一个整数值作为版本号,解决 ABA 问题。

AtomicIntegerFieldUpdater 原子更新整形字段的更新器、 AtomicLongFieldUpdater 原子更新长整形字段的更新器AtomicReferenceFieldUpdater 原子更新引用类型字段的更新器。


Q4:AtomicIntger 实现原子更新的原理是什么?

AtomicInteger 原子更新整形、 AtomicLong 原子更新长整型、AtomicBoolean 原子更新布尔类型。

getAndIncrement 以原子方式将当前的值加 1,首先在 for 死循环中取得 AtomicInteger 里存储的数值,第二步对 AtomicInteger 当前的值加 1 ,第三步调用 compareAndSet 方法进行原子更新,先检查当前数值是否等于 expect,如果等于则说明当前值没有被其他线程修改,则将值更新为 next,否则会更新失败返回 false,程序会进入 for 循环重新进行 compareAndSet 操作。

atomic 包中只提供了三种基本类型的原子更新,atomic 包里的类基本都是使用 Unsafe 实现的,Unsafe 只提供三种 CAS 方法:compareAndSwapIntcompareAndSwapLongcompareAndSwapObject,例如原子更新 Boolean 是先转成整形再使用 compareAndSwapInt


Q5:CountDownLatch 是什么?

CountDownLatch 是基于执行时间的同步类,允许一个或多个线程等待其他线程完成操作,构造方法接收一个 int 参数作为计数器,如果要等待 n 个点就传入 n。每次调用 countDown 方法时计数器减 1,await 方***阻塞当前线程直到计数器变为0,由于 countDown 方法可用在任何地方,所以 n 个点既可以是 n 个线程也可以是一个线程里的 n 个执行步骤。


Q6: CyclicBarrier 是什么?

循环屏障是基于同步到达某个点的信号量触发机制,作用是让一组线程到达一个屏障时被阻塞,直到最后一个线程到达屏障才会解除。构造方法中的参数表示拦截线程数量,每个线程调用 await 方法告诉 CyclicBarrier 自己已到达屏障,然后被阻塞。还支持在构造方法中传入一个 Runnable 任务,当线程到达屏障时会优先执行该任务。适用于多线程计算数据,最后合并计算结果的应用场景。

CountDownLacth 的计数器只能用一次,而 CyclicBarrier 的计数器可使用 reset 方法重置,所以 CyclicBarrier 能处理更为复杂的业务场景,例如计算错误时可用重置计数器重新计算。


Q7:Semaphore 是什么?

信号量用来控制同时访问特定资源的线程数量,通过协调各个线程以保证合理使用公共资源。信号量可以用于流量控制,特别是公共资源有限的应用场景,比如数据库连接。

Semaphore 的构造方法参数接收一个 int 值,表示可用的许可数量即最大并发数。使用 acquire 方法获得一个许可证,使用 release 方法归还许可,还可以用 tryAcquire 尝试获得许可。


Q8: Exchanger 是什么?

交换者是用于线程间协作的工具类,用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点,在这个同步点两个线程可以交换彼此的数据。

两个线程通过 exchange 方法交换数据,第一个线程执行 exchange 方法后会阻塞等待第二个线程执行该方法,当两个线程都到达同步点时这两个线程就可以交换数据,将本线程生产出的数据传递给对方。应用场景包括遗传算法、校对工作等。


Q9:JDK7 的 ConcurrentHashMap 原理?

ConcurrentHashMap 用于解决 HashMap 的线程不安全和 HashTable 的并发效率低,HashTable 之所以效率低是因为所有线程都必须竞争同一把锁,假如容器里有多把锁,每一把锁用于锁容器的部分数据,那么多线程访问容器不同数据段的数据时,线程间就不会存在锁竞争,从而有效提高并发效率,这就是 ConcurrentHashMap 的锁分段技术。首先将数据分成 Segment 数据段,然后给每一个数据段配一把锁,当一个线程占用锁访问其中一个段的数据时,其他段的数据也能被其他线程访问。

get 实现简单高效,先经过一次再散列,再用这个散列值通过散列运算定位到 Segment,最后通过散列算法定位到元素。get 的高效在于不需要加锁,除非读到空值才会加锁重读。get 方法中将共享变量定义为 volatile,在 get 操作里只需要读所以不用加锁。

put 必须加锁,首先定位到 Segment,然后进行插入操作,第一步判断是否需要对 Segment 里的 HashEntry 数组进行扩容,第二步定位添加元素的位置,然后将其放入数组。

size 操作用于统计元素的数量,必须统计每个 Segment 的大小然后求和,在统计结果累加的过程中,之前累加过的 count 变化几率很小,因此先尝试两次通过不加锁的方式统计结果,如果统计过程中容器大小发生了变化,再加锁统计所有 Segment 大小。判断容器是否发生变化根据 modCount 确定。


Q10:JDK8 的 ConcurrentHashMap 原理?

主要对 JDK7 做了三点改造:① 取消分段锁机制,进一步降低冲突概率。② 引入红黑树结构,同一个哈希槽上的元素个数超过一定阈值后,单向链表改为红黑树结构。③ 使用了更加优化的方式统计集合内的元素数量。具体优化表现在:在 put、resize 和 size 方法中设计元素总数的更新和计算都避免了锁,使用 CAS 代替。

get 同样不需要同步,put 操作时如果没有出现哈希冲突,就使用 CAS 添加元素,否则使用 synchronized 加锁添加元素。

当某个槽内的元素个数达到 7 且 table 容量不小于 64 时,链表转为红黑树。当某个槽内的元素减少到 6 时,由红黑树重新转为链表。在转化过程中,使用同步块锁住当前槽的首元素,防止其他线程对当前槽进行增删改操作,转化完成后利用 CAS 替换原有链表。由于 TreeNode 节点也存储了 next 引用,因此红黑树转为链表很简单,只需从 first 元素开始遍历所有节点,并把节点从 TreeNode 转为 Node 类型即可,当构造好新链表后同样用 CAS 替换红黑树


Q11:ArrayList 的线程安全集合是什么?

可以使用 CopyOnWriteArrayList 代替 ArrayList,它实现了读写分离。写操作复制一个新的集合,在新集合内添加或删除元素,修改完成后再将原集合的引用指向新集合。这样做的好处是可以高并发地进行读写操作而不需要加锁,因为当前集合不会添加任何元素。使用时注意尽量设置容量初始值,并且可以使用批量添加或删除,避免多次扩容,比如只增加一个元素却复制整个集合。

适合读多写少,单个添加时效率极低。CopyOnWriteArrayList 是 fail-safe 的,并发包的集合都是这种机制,fail-safe 在安全的副本上遍历,集合修改与副本遍历没有任何关系,缺点是无法读取最新数据。这也是 CAP 理论中 C 和 A 的矛盾,即一致性与可用性的矛盾。