编程基础学习总结

采用实现Runnable、Callable接口的方式创建多线程的优缺点:

采用继承Thread类的方式创建多线程的优缺点:

鉴于上面分析,因此一般推荐采用实现Runnable接口、Callable接口的方式来创建多线程

run()方法被称为线程执行体,它的方法体代表了线程需要完成的任务,而start()方法用来启动线程。

调用start()方法启动线程时,系统会把该run()方法当成线程执行体来处理。但如果直接调用线程对象的run()方法,则run()方法立即就会被执行,而且在run()方法返回之前其他线程无法并发执行。也就是说,如果直接调用线程对象的run()方法,系统把线程对象当成一个普通对象,而run()方法也是一个普通方法,而不是线程执行体。

线程的生命周期

在线程的生命周期中,它要经过新建(New)、就绪(Ready)、运行(Running)、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态。尤其是当线程启动以后,它不可能一直“霸占”着CPU独自运行,所以CPU需要在多条线程之间切换,于是线程状态也会多次在运行、就绪之间切换。

当程序使用new关键字创建了一个线程之后,该线程就处于新建状态,此时它和其他的Java对象一样,仅仅由Java虚拟机为其分配内存,并初始化其成员变量的值。此时的线程对象没有表现出任何线程的动态特征,程序也不会执行线程的线程执行体。

当线程对象调用了start()方法之后,该线程处于就绪状态,Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器,处于这个状态中的线程并没有开始运行,只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行,取决于JVM里线程调度器的调度。

如果处于就绪状态的线程获得了CPU,开始执行run()方法的线程执行体,则该线程处于运行状态,如果计算机只有一个CPU,那么在任何时刻只有一个线程处于运行状态。当然,在一个多处理器的机器上,将会有多个线程并行执行;当线程数大于处理器数时,依然会存在多个线程在同一个CPU上轮换的现象。

当一个线程开始运行后,它不可能一直处于运行状态,线程在运行过程中需要被中断,目的是使其他线程获得执行的机会,线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。对于采用抢占式策略的系统而言,系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务。当该时间段用完后,系统就会剥夺该线程所占用的资源,让其他线程获得执行的机会。当发生如下情况时,线程将会进入阻塞状态:

针对上面几种情况,当发生如下特定的情况时可以解除上面的阻塞,让该线程重新进入就绪状态:

线程会以如下三种方式结束,结束后就处于死亡状态:

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说一说Java同步机制中的wait和notify

wait()、notify()、notifyAll()用来实现线程之间的通信,这三个方法都不是Thread类中所声明的方法,而是Object类中声明的方法。原因是每个对象都拥有锁,所以让当前线程等待某个对象的锁,当然应该通过这个对象来操作。并且因为当前线程可能会等待多个线程的锁,如果通过线程来操作,就非常复杂了。另外,这三个方法都是本地方法,并且被final修饰,无法被重写,并且只有采用synchronized实现线程同步时才能使用这三个方法。

wait()方法可以让当前线程释放对象锁并进入阻塞状态。notify()方法用于唤醒一个正在等待相应对象锁的线程,使其进入就绪队列,以便在当前线程释放锁后竞争锁,进而得到CPU的执行。notifyAll()方法用于唤醒所有正在等待相应对象锁的线程,使它们进入就绪队列,以便在当前线程释放锁后竞争锁,进而得到CPU的执行。

每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列。就绪队列存储了已就绪(将要竞争锁)的线程,阻塞队列存储了被阻塞的线程。当一个阻塞线程被唤醒后,才会进入就绪队列,进而等待CPU的调度。反之,当一个线程被wait后,就会进入阻塞队列,等待被唤醒。

如果不使用synchronized和Lock,如何保证线程安全?

参考答案

  1. volatile

volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制,使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新,因此每次使用该域就要重新计算,而不是使用寄存器中的值。需要注意的是,volatile不会提供任何原子操作,它也不能用来修饰final类型的变量。

  1. 原子变量

在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类,使用该类可以简化线程同步。例如AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值,可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器),但不能用于替换Integer。可扩展Number,允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。

  1. 本地存储

可以通过ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象,这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键,以本地线程变量为值的K-V值对,ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口,每一个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值,使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

  1. 不可变的

只要一个不可变的对象被正确地构建出来,那其外部的可见状态永远都不会改变,永远都不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态,“不可变”带来的安全性是最直接、最纯粹的。Java语言中,如果多线程共享的数据是一个基本数据类型,那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的。如果共享数据是一个对象,由于Java语言目前暂时还没有提供值类型的支持,那就需要对象自行保证其行为不会对其状态产生任何影响才行。String类是一个典型的不可变类,可以参考它设计一个不可变类。

volatile关键字有什么用?

参考答案

当一个变量被定义成volatile之后,它将具备两项特性:

  1. 保证可见性

当写一个volatile变量时,JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去,这个写会操作会导致其他线程中的volatile变量缓存无效。

  1. 禁止指令重排

使用volatile关键字修饰共享变量可以禁止指令重排序,volatile禁止指令重排序有一些规则:

即执行到volatile变量时,其前面的所有语句都执行完,后面所有语句都未执行。且前面语句的结果对volatile变量及其后面语句可见。

注意,虽然volatile能够保证可见性,但它不能保证原子性。volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的,但是Java里面的运算操作符并非原子操作,这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

介绍下ThreadLocal和它的应用场景

参考答案

ThreadLocal顾名思义是线程私有的局部变量存储容器,可以理解成每个线程都有自己专属的存储容器,它用来存储线程私有变量,其实它只是一个外壳,内部真正存取是一个Map。每个线程可以通过set()和get()存取变量,多线程间无法访问各自的局部变量,相当于在每个线程间建立了一个隔板。只要线程处于活动状态,它所对应的ThreadLocal实例就是可访问的,线程被终止后,它的所有实例将被垃圾收集。总之记住一句话:ThreadLocal存储的变量属于当前线程。

ThreadLocal经典的使用场景是为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection,这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作,不会出现 A 线程关了 B线程正在使用的 Connection。 另外ThreadLocal还经常用于管理Session会话,将Session保存在ThreadLocal中,使线程处理多次处理会话时始终是同一个Session。

绍一下线程池

参考答案

系统启动一个新线程的成本是比较高的,因为它涉及与操作系统交互。在这种情形下,使用线程池可以很好地提高性能,尤其是当程序中需要创建大量生存期很短暂的线程时,更应该考虑使用线程池。

与数据库连接池类似的是,线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程,程序将一个Runnable对象或Callable对象传给线程池,线程池就会启动一个空闲的线程来执行它们的run()或call()方法,当run()或call()方法执行结束后,该线程并不会死亡,而是再次返回线程池中成为空闲状态,等待执行下一个Runnable对象的run()或call()方法。

从Java 5开始,Java内建支持线程池。Java 5新增了一个Executors工厂类来产生线程池,该工厂类包含如下几个静态工厂方法来创建线程池。创建出来的线程池,都是通过ThreadPoolExecutor类来实现的。

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线程池的队列大小你通常怎么设置?

参考答案

  1. CPU密集型任务

尽量使用较小的线程池,一般为CPU核心数+1。 因为CPU密集型任务使得CPU使用率很高,若开过多的线程数,会造成CPU过度切换。

  1. IO密集型任务

可以使用稍大的线程池,一般为2*CPU核心数。 IO密集型任务CPU使用率并不高,因此可以让CPU在等待IO的时候有其他线程去处理别的任务,充分利用CPU时间。

  1. 混合型任务

可以将任务分成IO密集型和CPU密集型任务,然后分别用不同的线程池去处理。 只要分完之后两个任务的执行时间相差不大,那么就会比串行执行来的高效。因为如果划分之后两个任务执行时间有数据级的差距,那么拆分没有意义。因为先执行完的任务就要等后执行完的任务,最终的时间仍然取决于后执行完的任务,而且还要加上任务拆分与合并的开销,得不偿失。

线程池有哪些参数,各个参数的作用是什么?

参考答案

线程池主要有如下6个参数:

  1. corePoolSize(核心工作线程数):当向线程池提交一个任务时,若线程池已创建的线程数小于corePoolSize,即便此时存在空闲线程,也会通过创建一个新线程来执行该任务,直到已创建的线程数大于或等于corePoolSize时。
  2. maximumPoolSize(最大线程数):线程池所允许的最大线程个数。当队列满了,且已创建的线程数小于maximumPoolSize,则线程池会创建新的线程来执行任务。另外,对于无界队列,可忽略该参数。
  3. keepAliveTime(多余线程存活时间):当线程池中线程数大于核心线程数时,线程的空闲时间如果超过线程存活时间,那么这个线程就会被销毁,直到线程池中的线程数小于等于核心线程数。
  4. workQueue(队列):用于传输和保存等待执行任务的阻塞队列。
  5. threadFactory(线程创建工厂):用于创建新线程。threadFactory创建的线程也是采用new Thread()方式,threadFactory创建的线程名都具有统一的风格:pool-m-thread-n(m为线程池的编号,n为线程池内的线程编号)。
  6. handler(拒绝策略):当线程池和队列都满了,再加入线程会执行此策略。

JVM包含哪几部分?

参考答案

JVM 主要由四大部分组成:ClassLoader(类加载器),Runtime Data Area(运行时数据区,内存分区),Execution Engine(执行引擎),Native Interface(本地库接口),下图可以大致描述 JVM 的结构。

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JVM 是执行 Java 程序的虚拟计算机系统,那我们来看看执行过程:首先需要准备好编译好的 Java 字节码文件(即class文件),计算机要运行程序需要先通过一定方式(类加载器)将 class 文件加载到内存中(运行时数据区),但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范,并不能直接交给底层操作系统去执行,因此需要特定的命令解释器(执行引擎)将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给 CPU 去执行,这个过程中会需要调用到一些不同语言为 Java 提供的接口(例如驱动、地图制作等),这就用到了本地 Native 接口(本地库接口)。

JVM是如何运行的?

参考答案

JVM的启动过程分为如下四个步骤:

  1. JVM的装入环境和配置

java.exe负责查找JRE,并且它会按照如下的顺序来选择JRE:

  1. 装载JVM

通过第一步找到JVM的路径后,Java.exe通过LoadJavaVM来装入JVM文件。LoadLibrary装载JVM动态连接库,然后把JVM中的到处函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMIntArgs 挂接到InvocationFunction 变量的CreateJavaVM和GetDafaultJavaVMInitArgs 函数指针变量上。JVM的装载工作完成。

  1. 初始化JVM,获得本地调用接口

调用InvocationFunction -> CreateJavaVM,也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例。

  1. 运行Java程序

JVM运行Java程序的方式有两种:jar包 与 class。

运行jar 的时候,java.exe调用GetMainClassName函数,该函数先获得JNIEnv实例然后调用JarFileJNIEnv类中getManifest(),从其返回的Manifest对象中取getAttrebutes("Main-Class")的值,即jar 包中文件:META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类(使用JNIEnv实例的FindClass)。

运行Class的时候,main函数直接调用Java.c中的LoadClass方法装载该类。

Java程序是怎么运行的?

参考答案

概括来说,写好的 Java 源代码文件经过 Java 编译器编译成字节码文件后,通过类加载器加载到内存中,才能被实例化,然后到 Java 虚拟机中解释执行,最后通过操作系统操作 CPU 执行获取结果。如下图:

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说一说Java的内存分布情况

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程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,它是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧[插图](Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

在《Java虚拟机规范》中,对这个内存区域规定了两类异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展,当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务

方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫作“非堆”(Non-Heap),目的是与Java堆区分开来。

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池表(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

说一说你对数据库事务的了解

参考答案

事务可由一条非常简单的SQL语句组成,也可以由一组复杂的SQL语句组成。在事务中的操作,要么都执行修改,要么都不执行,这就是事务的目的,也是事务模型区别于文件系统的重要特征之一。

事务需遵循ACID四个特性:

事务可以分为以下几种类型:

对于MySQL的InnoDB存储引擎来说,它支持扁平事务、带有保存点的扁平事务、链事务、分布式事务。对于嵌套事务,MySQL数据库并不是原生的,因此对于有并行事务需求的用户来说MySQL就无能为力了,但是用户可以通过带有保存点的事务来模拟串行的嵌套事务。

事务有哪几种类型,它们之间有什么区别?

参考答案

事务可以分为以下几种类型:

对于MySQL的InnoDB存储引擎来说,它支持扁平事务、带有保存点的扁平事务、链事务、分布式事务。对于嵌套事务,MySQL数据库并不是原生的,因此对于有并行事务需求的用户来说MySQL就无能为力了,但是用户可以通过带有保存点的事务来模拟串行的嵌套事务。

谈谈MySQL的事务隔离级别

参考答案

SQL 标准定义了四种隔离级别,这四种隔离级别分别是:

事务隔离是为了解决脏读、不可重复读、幻读问题,下表展示了 4 种隔离级别对这三个问题的解决程度:

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上述4种隔离级别MySQL都支持,并且InnoDB存储引擎默认的支持隔离级别是REPEATABLE READ,但是与标准SQL不同的是,InnoDB存储引擎在REPEATABLE READ事务隔离级别下,使用Next-Key Lock的锁算法,因此避免了幻读的产生。所以,InnoDB存储引擎在默认的事务隔离级别下已经能完全保证事务的隔离性要求,即达到SQL标准的SERIALIZABLE隔离级别。

扩展阅读

并发情况下,读操作可能存在的三类问题:

  1. 脏读:当前事务(A)中可以读到其他事务(B)未提交的数据(脏数据),这种现象是脏读。
  2. 不可重复读:在事务A中先后两次读取同一个数据,两次读取的结果不一样,这种现象称为不可重复读。脏读与不可重复读的区别在于:前者读到的是其他事务未提交的数据,后者读到的是其他事务已提交的数据。
  3. 幻读:在事务A中按照某个条件先后两次查询数据库,两次查询结果的条数不同,这种现象称为幻读。不可重复读与幻读的区别可以通俗的理解为:前者是数据变了,后者是数据的行数变了。