一、 基礎概念

1. 進程與線程的區別是什么？

進程與線程的主要區別如下：

1. 定義
   • 進程（Process）是操作系統分配資源的基本單位。
   • 線程（Thread）是 CPU 調度的基本單位。
2. 資源分配
   • 進程擁有獨立的內存空間和系統資源。
   • 線程共享進程的資源，如內存和文件句柄。
3. 通信方式
   • 進程間通信（IPC）方式復雜，如管道、共享內存、消息隊列等。
   • 線程間通信更簡單，可通過共享變量直接通信。
4. 開銷
   • 進程創建和切換開銷較大。
   • 線程切換成本較小，效率更高。
5. 崩潰影響
   • 進程崩潰不會影響其他進程。
   • 線程崩潰可能影響整個進程。

2. 創建線程的幾種方式？

在 Java 中，創建線程主要有以下幾種方式：

1. 繼承 Thread 類

   class MyThread extends Thread {public void run() {System.out.println("線程執行");}
   }public class Main {public static void main(String[] args) {MyThread thread = new MyThread();thread.start();}
   }
   

2. 實現 Runnable 接口

   class MyRunnable implements Runnable {public void run() {System.out.println("線程執行");}
   }public class Main {public static void main(String[] args) {Thread thread = new Thread(new MyRunnable());thread.start();}
   }
   

3. 使用 Callable 和 FutureTask（可以返回值和拋出異常）

   import java.util.concurrent.*;class MyCallable implements Callable<String> {public String call() throws Exception {return "線程執行完成";}
   }public class Main {public static void main(String[] args) throws Exception {FutureTask<String> task = new FutureTask<>(new MyCallable());Thread thread = new Thread(task);thread.start();System.out.println(task.get());}
   }
   

4. 使用線程池 ExecutorService

   import java.util.concurrent.*;public class Main {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);executor.execute(() -> System.out.println("線程執行"));executor.shutdown();}
   }
   

3. 線程的生命周期（狀態）有哪些？

線程的生命周期可分為以下幾種狀態：

1. NEW（新建狀態）：線程對象被創建，但未調用 start()。
2. RUNNABLE（就緒/運行狀態）：調用 start() 方法后，等待 CPU 調度。
3. BLOCKED（阻塞狀態）：線程試圖獲取鎖但被阻塞。
4. WAITING（無限等待狀態）：線程調用 wait() 或 join()，需顯式喚醒。
5. TIMED_WAITING（計時等待狀態）：線程調用 sleep(time)、wait(time) 等方法。
6. TERMINATED（終止狀態）：線程執行完成或被異常終止。

4. 什么是守護線程（Daemon Thread）？

守護線程是后臺運行的線程，主要用于執行后臺任務，如垃圾回收。

• 特點
  • 守護線程在所有非守護線程結束后，自動終止。
  • setDaemon(true) 方法可以設置線程為守護線程。

示例：

public class DaemonThreadExample {public static void main(String[] args) {Thread daemonThread = new Thread(() -> {while (true) {System.out.println("守護線程運行中...");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});daemonThread.setDaemon(true);daemonThread.start();try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("主線程結束");}
}

5. 線程優先級（Priority）的作用及問題？

• Java 線程優先級范圍：1（最低）~ 10（最高）。
• 線程默認優先級是 5。
• 使用 setPriority(int newPriority) 設置優先級。

示例：

Thread thread = new Thread(() -> System.out.println("線程運行"));
thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 設置最高優先級
thread.start();

問題：

1. 不一定生效：線程調度由操作系統決定，Java 只是建議。
2. 可能導致線程饑餓：高優先級線程可能長時間占用 CPU，低優先級線程無法執行。
3. 平臺相關：不同操作系統對線程優先級的實現可能不同。

二、線程安全與鎖機制

1. 什么是線程安全？如何實現線程安全？

線程安全指的是多個線程同時訪問共享數據時，不會導致數據的不一致性或錯誤。

實現線程安全的方法：

1. synchronized 關鍵字：對方法或代碼塊加鎖，確保同一時間只有一個線程訪問。
2. volatile 關鍵字：保證變量的可見性，防止指令重排序。
3. ReentrantLock：可重入鎖，提供更靈活的鎖控制。
4. CAS（Compare-And-Swap）：無鎖并發編程，保證變量的原子性更新。
5. 線程安全的集合類：如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList。
6. ThreadLocal：為每個線程提供獨立變量，防止共享數據沖突。
7. 原子操作類：如 AtomicInteger、AtomicReference。

2. synchronized 關鍵字的底層實現原理（對象頭、Monitor 機制）？

synchronized 通過對象頭（Mark Word）中的鎖標志位和 Monitor 機制 實現。

• 對象頭（Mark Word）：存儲鎖信息，如偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
• Monitor 機制：由操作系統的 互斥量（Mutex） 實現，線程競爭鎖時可能進入阻塞狀態。
• 鎖升級過程：
  1. 偏向鎖（Biased Locking）
  2. 輕量級鎖（Lightweight Locking）
  3. 重量級鎖（Heavyweight Locking）

示例：

synchronized (this) {System.out.println("同步代碼塊");
}

3. volatile 關鍵字的作用和實現原理（內存屏障、可見性、禁止指令重排）？

volatile 關鍵字作用：

1. 保證可見性：修改后的值會立即刷新到主內存。
2. 禁止指令重排序：防止 CPU 優化導致的順序問題。
3. 不保證原子性：多個線程修改 volatile 變量仍可能導致競態條件。

底層實現：

• 通過 內存屏障（Memory Barrier） 確保可見性。
• 使用 MESI 緩存一致性協議 保證 CPU 緩存一致性。

示例：

private volatile boolean flag = true;

4. 什么是 CAS（Compare-And-Swap）？其優缺點？

CAS（比較并交換） 是一種無鎖并發機制，核心思想是：

1. 讀取變量的當前值 V。
2. 如果 V 等于期望值 E，則更新為新值 N。
3. 若 V 發生變化，則重新嘗試。

優點：

• 無需加鎖，性能高。

缺點：

• ABA 問題：可使用 AtomicStampedReference 解決。
• 自旋消耗 CPU：長時間自旋可能降低性能。

示例：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
atomicInteger.compareAndSet(0, 1);

5. synchronized 和 ReentrantLock 的區別？

對比項	synchronized	ReentrantLock
鎖的類型	內置鎖	顯式鎖
可重入性	支持	支持
公平鎖	不支持	支持
中斷響應	不支持	支持
條件變量	不支持	支持 Condition

6. 可重入鎖（ReentrantLock）的實現原理？

可重入鎖 允許同一線程多次獲取鎖。

• ReentrantLock 通過 AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 維護一個 state 變量，記錄獲取次數。
• 線程釋放鎖時，state 遞減，直到 state == 0 時真正釋放鎖。

示例：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {System.out.println("執行任務");
} finally {lock.unlock();
}

7. 公平鎖與非公平鎖的區別？

• 公平鎖：線程按順序獲取鎖，避免線程饑餓。
• 非公平鎖：線程可以插隊獲取鎖，提高性能。

示例：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 公平鎖

8. 什么是死鎖？如何避免或檢測死鎖？

死鎖 是指多個線程相互等待對方釋放資源，導致程序無法繼續。

避免方法：

1. 避免嵌套鎖
2. 資源分配有序
3. 超時機制
4. 死鎖檢測工具（jstack、jconsole）

9. 偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的升級過程？

鎖的升級流程：

1. 無鎖狀態
2. 偏向鎖：只有一個線程訪問。
3. 輕量級鎖：多個線程競爭但無阻塞。
4. 重量級鎖：多個線程競爭，阻塞等待。

10. 鎖消除（Lock Elimination）和鎖粗化（Lock Coarsening）的原理？

• 鎖消除：JIT 編譯時，發現局部變量不逃逸，移除鎖。
• 鎖粗化：多個連續加鎖的操作合并，減少鎖的頻繁釋放與獲取。

示例：

public void test() {StringBuilder sb = new StringBuilder(); // JIT 可能優化掉鎖sb.append("Hello");sb.append("World");
}

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三、線程協作與通信

1. wait()、notify()、notifyAll() 的使用場景和注意事項？

• 使用場景：
  wait()、notify() 和 notifyAll() 主要用于線程間的同步，適用于生產者-消費者模型或多個線程共享資源的情況。

  • wait(): 讓當前線程進入等待狀態，釋放鎖，讓其他線程可以獲取鎖并執行。
  • notify(): 喚醒一個在 wait() 狀態的線程，但不會立即釋放鎖，需等待當前線程執行完畢。
  • notifyAll(): 喚醒所有等待的線程，但只有一個線程能獲取鎖執行，其他線程仍需等待。

• 注意事項：

  1. wait()、notify()、notifyAll() 必須在同步代碼塊或同步方法中使用，否則會拋 IllegalMonitorStateException。
  2. 調用 wait() 方法后，線程會釋放鎖，進入等待隊列，直到被 notify() 或 notifyAll() 喚醒。
  3. notify() 只是通知一個等待線程，并不會立即釋放鎖，必須等待持有鎖的線程執行完畢后才能釋放。

2. sleep() 和 wait() 的區別？

對比項	sleep()	wait()
作用	讓當前線程休眠一段時間	讓當前線程等待，直到被 notify() 喚醒
釋放鎖	不釋放鎖	釋放鎖
使用位置	可以在任何地方使用	必須在同步代碼塊或同步方法中使用
恢復方式	時間到后自動恢復運行	需要 notify() 或 notifyAll() 喚醒
拋出異常	InterruptedException	InterruptedException

3. 如何實現線程間通信（如生產者-消費者模型）？

示例：使用 wait() 和 notify() 實現生產者-消費者模式

class SharedResource {private int data;private boolean available = false;public synchronized void produce(int value) {while (available) {try {wait(); // 生產者等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}data = value;available = true;System.out.println("生產者生產: " + value);notify(); // 喚醒消費者}public synchronized int consume() {while (!available) {try {wait(); // 消費者等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}available = false;System.out.println("消費者消費: " + data);notify(); // 喚醒生產者return data;}
}

4. Condition 接口的作用及與 wait/notify 的區別？

• 作用：

  • Condition 提供了比 wait() 和 notify() 更強大的線程間通信機制。
  • 允許多個等待隊列，可更精細地控制線程的喚醒。

• 區別：
  | 對比項 | wait()/notify() | Condition |
  |------------|-----------------|------------|
  | 依賴的鎖 | 必須配合 synchronized 關鍵字使用 | 需要 Lock 對象 |
  | 等待方法 | wait() | await() |
  | 通知方法 | notify() / notifyAll() | signal() / signalAll() |
  | 多個等待隊列 | 只有一個等待隊列，notify() 可能會誤喚醒非目標線程 | 可以創建多個 Condition，更精準喚醒特定線程 |

• 示例：使用 Condition 實現生產者-消費者模型

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;class SharedResourceWithCondition {private int data;private boolean available = false;private final Lock lock = new ReentrantLock();private final Condition condition = lock.newCondition();public void produce(int value) {lock.lock();try {while (available) {condition.await(); // 生產者等待}data = value;available = true;System.out.println("生產者生產: " + value);condition.signal(); // 喚醒消費者} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public int consume() {lock.lock();try {while (!available) {condition.await(); // 消費者等待}available = false;System.out.println("消費者消費: " + data);condition.signal(); // 喚醒生產者return data;} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();return -1;} finally {lock.unlock();}}
}

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四、并發工具類（JUC）

1. CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 的使用場景和區別

1.1 CountDownLatch

• 作用：用于 等待多個線程執行完畢后再繼續，計數器只能減不能加。
• 使用場景：
  • 任務分解：主線程等待多個子線程完成后再繼續。
  • 并發測試：多個線程同時執行某個任務，主線程等待所有線程完成。
  • 系統啟動依賴：等待多個資源加載完畢后再啟動服務。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成任務");latch.countDown();}).start();}latch.await(); // 等待所有子線程執行完畢System.out.println("所有任務完成，繼續執行主線程");}
}

1.2 CyclicBarrier

• 作用：用于 讓一組線程等待彼此到達某個同步點，并在到達后執行某個 回調任務。
• 與 CountDownLatch 的區別：
  • CountDownLatch 只能使用一次，CyclicBarrier 可重復使用。
  • CyclicBarrier 允許在所有線程到達屏障時執行額外任務。
• 使用場景：
  • 多人游戲：等待所有玩家加載完畢后開始游戲。
  • 并行計算：多線程分塊計算，待所有線程計算完成后合并結果。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierExample {public static void main(String[] args) {CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> System.out.println("所有線程到達屏障點"));for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到達屏障");try {barrier.await();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}

1.3 Semaphore

• 作用：限流，用于控制并發線程數，類似停車場的車位管理。
• 使用場景：
  • 限制數據庫連接數。
  • 控制接口并發訪問，防止系統崩潰。
  • 線程池限流，限制任務提交速率。

import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreExample {public static void main(String[] args) {Semaphore semaphore = new Semaphore(2);for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(() -> {try {semaphore.acquire();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 獲取資源");Thread.sleep(1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 釋放資源");semaphore.release();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}

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2. Exchanger 的作用

• 作用：兩個線程間的數據交換工具，用于在兩個線程之間安全地交換對象。

• 特點：

  • 線程 A 調用 exchange() 方法后會阻塞，直到線程 B 也調用 exchange() 交換數據。
  • 適用于 生產者-消費者模型，當生產者產生數據，消費者等待數據時，Exchanger 可用作數據緩沖區。

• 使用場景：

  • 數據處理：一個線程生產數據，另一個線程處理數據。
  • 大數據計算：并行計算任務的階段性交換。

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3. Phaser 的使用場景

• 作用：可變并發任務同步工具，類似 CyclicBarrier，但支持 動態注冊/注銷線程。

• 區別：

  • CyclicBarrier 需要指定固定數量的線程，Phaser 支持動態增減線程。
  • Phaser 適用于多階段任務，而 CyclicBarrier 適用于單次屏障。

• 使用場景：

  • 分階段任務：如多輪競賽，每輪線程數不同。
  • 遞歸任務：動態管理并發線程的執行。

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4. Future 和 CompletableFuture 的區別

對比項	Future	CompletableFuture
異步能力	只能獲取異步任務結果，不支持回調	支持回調和流式操作，能更好地管理異步流程
阻塞獲取結果	需要 get() 方法，可能會阻塞線程	支持 thenApply() 等非阻塞操作
支持組合任務	不支持多個 Future 組合	thenCombine() 支持多個任務組合
異常處理	只能手動 try-catch 處理	exceptionally() 處理異常更方便
取消任務	cancel() 方法	cancel() 也可用

• CompletableFuture 適用于更復雜的異步任務鏈，能提高代碼可讀性和效率。

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5. StampedLock 的優化點及使用場景

優化點

1. 支持三種模式：

   • 寫鎖 (writeLock())：獨占鎖，類似 ReentrantReadWriteLock 的寫鎖。
   • 讀鎖 (readLock())：共享鎖，多個線程可同時讀。
   • 樂觀讀 (tryOptimisticRead())：不阻塞寫入，提高性能，適用于讀多寫少場景。

2. 性能優勢：

   • 避免讀鎖競爭：樂觀讀鎖不會阻塞寫操作，適用于高讀低寫的情況。
   • 降低鎖的升級開銷：先嘗試樂觀讀，再回退為悲觀鎖，減少鎖沖突。

使用場景

• 緩存系統：大多數操作是讀取，寫入較少的情況，避免 ReentrantReadWriteLock 造成的讀鎖開銷。
• 多線程計數器：多個線程同時讀計數值，少數線程寫入。
• 金融交易系統：讀取賬戶余額時使用樂觀鎖，只有在余額變更時才獲取寫鎖。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;public class StampedLockExample {private int count = 0;private final StampedLock lock = new StampedLock();public int optimisticRead() {long stamp = lock.tryOptimisticRead();int current = count;if (!lock.validate(stamp)) {stamp = lock.readLock();try {current = count;} finally {lock.unlockRead(stamp);}}return current;}public void write(int value) {long stamp = lock.writeLock();try {count = value;} finally {lock.unlockWrite(stamp);}}
}

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五、 線程池相關問題解析

1. 線程池的核心參數及作用

• 核心線程數 (corePoolSize)
  指定了線程池中始終保持運行的最小線程數。當有新任務到達時，線程池會優先創建新線程直到達到核心線程數，之后任務才會進入隊列等待執行。

• 最大線程數 (maximumPoolSize)
  表示線程池允許創建的最大線程數。當隊列已滿且核心線程都在忙碌時，線程池會創建新線程直至達到最大線程數。

• 任務隊列 (workQueue)
  用于存放等待執行的任務。常用隊列類型有有界隊列（如 ArrayBlockingQueue）和無界隊列（如 LinkedBlockingQueue）。隊列的選擇會影響任務調度的策略和系統資源使用。

• 線程空閑時間 (keepAliveTime)
  當線程數超過核心線程數時，多余線程在空閑狀態下等待新任務的最長時間，超時后這些線程會被終止，以節省資源。

• 線程工廠 (threadFactory)
  用于創建新線程，可以通過自定義線程工廠設置線程名稱、優先級、守護狀態等，從而便于線程管理和調試。

• 拒絕策略 (rejectedExecutionHandler)
  當線程池飽和（即線程數已達最大值且任務隊列也滿）時，對新提交任務的處理策略，如拋異常、調用者運行、丟棄任務或丟棄隊列中最老任務等。

2. 線程池的工作流程（任務提交后的處理邏輯）

1. 任務提交
   當調用 execute() 或 submit() 方法提交任務時，線程池首先判斷當前線程數是否小于核心線程數。

2. 創建核心線程
   如果當前線程數小于核心線程數，則立即創建新線程執行任務，而不是將任務放入隊列。

3. 任務入隊
   當核心線程數已滿，新的任務將被放入任務隊列中等待執行。

4. 創建非核心線程
   如果任務隊列已滿，并且當前線程數小于最大線程數，則線程池會創建新線程來處理額外的任務。

5. 拒絕策略觸發
   當任務隊列已滿且線程數已經達到最大線程數時，線程池根據配置的拒絕策略處理新提交的任務。

6. 線程復用與銷毀
   完成任務后，線程不會立即銷毀，而是進入等待狀態以便復用。當線程超過核心線程數且長時間空閑，則會被回收。

3. 常見的線程池類型及其問題

• FixedThreadPool

  • 特點：固定線程數，不會動態增減。
  • 問題：若任務執行緩慢或任務積壓，可能導致隊列中任務長時間等待，無法利用資源動態擴展。

• CachedThreadPool

  • 特點：根據任務需要動態創建線程，線程空閑時會被回收，適用于任務執行時間較短的場景。
  • 問題：在任務激增時可能會創建大量線程，導致系統資源耗盡，甚至引發性能問題。

• SingleThreadExecutor

  • 特點：單線程順序執行所有任務，適用于需要保證任務順序的場景。
  • 問題：單線程可能成為性能瓶頸，且任務過多時容易造成任務堆積。

4. 線程池的拒絕策略

• AbortPolicy (默認策略)
  當任務無法執行時，直接拋出 RejectedExecutionException 異常，中斷任務提交流程。

• CallerRunsPolicy
  由任務提交者所在的線程執行該任務，從而降低新任務的提交速率，緩解線程池壓力。

• DiscardPolicy
  直接丟棄新提交的任務，不會拋出異常，但可能導致部分任務未被執行。

• DiscardOldestPolicy
  丟棄任務隊列中等待最久的任務，然后嘗試提交當前任務，這樣可以為新的任務騰出空間。

5. 如何合理配置線程池參數

• 根據任務性質配置線程數

  • CPU密集型任務：通常將線程數設置為 CPU 核心數或略微超出。
  • IO密集型任務：線程數可以設置為 CPU 核心數的多倍，因為等待時間較長。

• 任務隊列的選擇
  根據任務特性選擇合適的隊列類型和容量。無界隊列雖能避免拒絕任務，但可能導致任務堆積；有界隊列則能限制任務數量，但在高負載時容易觸發拒絕策略。

• 合理設置 keepAliveTime
  防止非核心線程在任務較少時占用系統資源，確保線程在空閑超時后被回收。

• 拒絕策略的選取
  根據系統對任務丟失或延遲的容忍度選擇合適的拒絕策略，保障系統穩定性。

• 動態調整策略
  根據實際運行情況，監控任務執行情況和系統資源使用情況，動態調整線程池參數以達到最佳性能。

6. 線程池中線程復用（Thread Reuse）的原理

• 預先創建與等待
  線程池在初始化或任務提交時創建一定數量的核心線程，這些線程在完成任務后不會被銷毀，而是進入等待狀態，以便立即處理后續任務。

• 任務隊列
  線程通過不斷從任務隊列中取任務來執行，實現線程的重復利用，避免頻繁創建和銷毀線程帶來的開銷。

• KeepAlive 機制
  對于非核心線程，在任務執行完畢后，如果在指定的空閑時間內沒有新任務到達，則會被回收。這樣既能保證高負載時的擴展能力，也能在低負載時節省資源。

示例代碼

下面是一個簡單的 Java 示例，展示如何使用線程池提交任務。注意，Java 代碼已做適當轉義：

// 示例：使用線程池提交任務的簡單代碼
import java.util.concurrent.*;public class ThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {// 創建一個固定大小的線程池，核心線程數和最大線程數都為4ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);for (int i = 0; i < 10; i++) {executor.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("執行任務 - " + Thread.currentThread().getName());}});}// 關閉線程池，等待所有任務執行完畢后退出executor.shutdown();}
}

六、 高級并發特性解析

1. Java 內存模型（JMM）的核心概念

• 主內存與工作內存
  每個線程都有自己的工作內存，用于保存共享變量的副本，而共享變量本身存儲在主內存中。線程對變量的所有操作都必須先在工作內存中進行，再同步到主內存，從而保證了數據的一致性和線程間的可見性。

• happens-before 原則
  規定了操作之間的先后關系，確保一個操作的結果在另一個操作執行前是可見的。典型規則包括：

  • 程序順序規則：單線程中代碼按照順序執行。
  • 鎖規則：解鎖操作 happens-before 后續對同一鎖的加鎖操作。
  • volatile 規則：volatile 寫操作 happens-before 隨后的 volatile 讀操作。
  • 線程啟動規則：線程啟動前的操作 happens-before 線程內的所有操作。

2. 原子性、可見性、有序性及其保證方法

• 原子性
  一個操作是不可分割的，要么全部執行，要么全部不執行。
  保證方法：

  • 使用 synchronized 關鍵字或顯示鎖（如 ReentrantLock）來保證復合操作的原子性。
  • 利用 Java 的原子類（如 AtomicInteger）實現無鎖的原子操作。

• 可見性
  確保當一個線程修改了共享變量，其他線程能夠及時看到這個修改。
  保證方法：

  • 使用 volatile 關鍵字，確保變量的修改立即刷新到主內存。
  • 使用鎖（synchronized 或 Lock）來保證操作的可見性。

• 有序性
  保證程序中指令按照代碼順序執行（在單線程環境下成立）。
  保證方法：

  • 使用 synchronized 或 volatile 提供的內存屏障，防止指令重排序。
  • JMM 中的 happens-before 規則確保了操作的有序性。

3. 指令重排序及其避免方法

• 指令重排序原理
  為了優化性能，編譯器和處理器可能會重新排序指令。雖然在單線程環境中不會改變程序的正確性，但在多線程環境中可能會導致數據不一致的問題。

• 避免方法：

  • 內存屏障
    利用內存屏障指令保證某些操作在執行順序上的嚴格順序，從而防止重排序問題。
  • volatile 關鍵字
    使用 volatile 修飾的變量能確保寫操作不會被重排序到讀操作之后，并保證了可見性。

4. ThreadLocal 的原理、使用場景及內存泄漏問題

• 原理
  每個線程內部都有一個 ThreadLocalMap，其中存儲了 ThreadLocal 對象和對應的線程局部變量。這樣，每個線程都可以獨立訪問和修改自己的變量副本，而不會影響其他線程。

• 使用場景

  • 需要線程隔離的變量，如用戶會話、數據庫連接等。
  • 避免在多線程環境中共享數據而導致的同步問題。

• 內存泄漏問題
  當線程使用完 ThreadLocal 后，如果沒有調用 remove() 方法清理 ThreadLocalMap，可能會導致內存泄漏，特別是在使用線程池等長生命周期線程時。
  解決方法：

  • 在任務執行結束后主動調用 ThreadLocal.remove() 清理數據。
  • 注意設計長生命周期線程中 ThreadLocal 的使用，避免不必要的數據駐留。

5. Fork/Join 框架與工作竊取機制

• Fork/Join 框架
  是 Java 7 引入的一個并行計算框架，適用于將大任務拆分成多個小任務（Fork），并行執行后將結果合并（Join）。核心組件包括 ForkJoinPool、ForkJoinTask 以及其子類 RecursiveTask（有返回值）和 RecursiveAction（無返回值）。

• 工作竊取機制 (Work-Stealing)
  每個工作線程維護一個雙端隊列，當線程完成了自己隊列中的任務時，會嘗試從其他線程隊列的尾部“竊取”任務以保持高效的資源利用和負載均衡。

示例代碼

以下是一個使用 Fork/Join 框架計算數組求和的示例代碼，注意 Java 代碼中的特殊字符均已轉義：

// 示例：使用 Fork/Join 框架計算數組求和
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;public class ForkJoinSum extends RecursiveTask<Long> {private static final int THRESHOLD = 1000;private long[] arr;private int start;private int end;public ForkJoinSum(long[] arr, int start, int end) {this.arr = arr;this.start = start;this.end = end;}@Overrideprotected Long compute() {if (end - start <= THRESHOLD) {long sum = 0;for (int i = start; i < end; i++) {sum += arr[i];}return sum;} else {int mid = (start + end) / 2;ForkJoinSum leftTask = new ForkJoinSum(arr, start, mid);ForkJoinSum rightTask = new ForkJoinSum(arr, mid, end);leftTask.fork(); // 異步執行左邊任務long rightResult = rightTask.compute(); // 同步執行右邊任務long leftResult = leftTask.join(); // 等待左邊任務完成return leftResult + rightResult;}}public static void main(String[] args) {long[] array = new long[10000];// 初始化數組for (int i = 0; i < array.length; i++) {array[i] = i;}ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();ForkJoinSum task = new ForkJoinSum(array, 0, array.length);long result = pool.invoke(task);System.out.println("Sum: " + result);}
}

該示例展示了如何將一個大任務（數組求和）拆分成多個小任務，通過 Fork/Join 框架的工作竊取機制并行處理任務，并最終合并結果。

七、 并發容器解析

1. ConcurrentHashMap 的實現原理（JDK7 vs JDK8）

• JDK7 實現原理

  • 分段鎖（Segment）機制：將整個 Map 劃分為多個 Segment，每個 Segment 內部維護一部分哈希桶。
  • 鎖定粒度較小：操作某個鍵值對時，僅鎖定所在的 Segment，讀操作大多無鎖，從而提升并發度。
  • 局限性：Segment 數量在創建時固定，可能存在熱點 Segment 導致爭用。

• JDK8 實現原理

  • 取消分段鎖：直接使用一個 Node 數組作為底層結構，通過 CAS 操作實現無鎖更新。
  • 細粒度鎖：在發生沖突時，僅對鏈表或紅黑樹的某個桶加鎖，而非整個 Segment。
  • 鏈表轉紅黑樹：當單個桶中鏈表長度超過閾值時，轉換為紅黑樹以降低查找時間。
  • 優勢：讀操作完全無鎖，寫操作在沖突較少時可通過 CAS 完成，提高了整體性能和擴展性。

2. CopyOnWriteArrayList 的適用場景及優缺點

• 適用場景

  • 讀操作遠遠多于寫操作的場景，如緩存、事件監聽器列表等。
  • 需要保證在迭代時數據不被修改，避免 ConcurrentModificationException 的情況。

• 優點

  • 無鎖讀操作：迭代時不需要加鎖，性能高且線程安全。
  • 簡單安全：每次寫操作都會復制整個底層數組，保證了數據的一致性。

• 缺點

  • 寫操作開銷大：每次更新都會復制整個數組，對于寫密集型應用效率低下。
  • 內存占用增加：復制操作會導致額外的內存消耗，適用于數據量較小且變更較少的場景。

3. BlockingQueue 的實現類及使用場景

• ArrayBlockingQueue

  • 實現原理：基于數組實現的有界阻塞隊列，內部通過 ReentrantLock 來保證線程安全。
  • 使用場景：適用于固定容量的緩沖區，如生產者消費者模式中限制任務數量，防止過載。

• LinkedBlockingQueue

  • 實現原理：基于鏈表實現，可設置有界或無界隊列，采用分離的 putLock 和 takeLock 提高并發性能。
  • 使用場景：適用于需要較大容量緩沖，或不希望受到固定數組大小限制的場景。

• 其他實現類

  • PriorityBlockingQueue：基于優先級的無界阻塞隊列，適用于需要按照優先級處理任務的場景。
  • DelayQueue：基于延時策略的隊列，用于任務調度。
  • SynchronousQueue：每個插入操作必須等待對應的移除操作，適合于任務直接交給消費者處理的場景。

4. ConcurrentLinkedQueue 的無鎖實現原理

• 基于鏈表的無鎖隊列：采用鏈表結構作為底層數據結構。
• CAS 操作：利用 CAS（Compare-And-Swap）原子操作來保證在高并發環境下的線程安全，無需顯式鎖。
• 頭尾指針維護：通過原子變量維護頭結點和尾結點，入隊和出隊操作通過 CAS 更新指針，保證數據一致性。
• 優點：高并發情況下性能優越，避免了鎖競爭；
• 缺點：在極端情況下可能存在短暫的不一致狀態，但總體上能夠保證最終一致性。

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八、 并發設計模式與實戰

1. 生產者-消費者模式的實現方式

• 阻塞隊列實現
  利用阻塞隊列（如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue）實現任務緩沖區，生產者調用 put() 將任務放入隊列，消費者調用 take() 從隊列中獲取任務。
• 等待/通知機制
  在共享緩沖區上使用 wait() 與 notify()/notifyAll() 實現線程間通信，但需要小心處理虛假喚醒和同步問題。
• 信號量機制
  通過 Semaphore 控制緩沖區中可用資源數量，協調生產者和消費者的訪問。

2. 如何實現線程安全的單例模式

• 雙重檢查鎖定（DCL）
  在實例為空時進入同步代碼塊，再次檢查后創建實例。需要將實例聲明為 volatile，防止指令重排序導致問題。
• 靜態內部類
  利用 JVM 類加載機制，在第一次使用時創建單例，既保證線程安全，又實現延遲加載。
• 枚舉實現
  使用枚舉類型，JVM 會保證枚舉實例的唯一性和線程安全。

示例：使用雙重檢查鎖定實現線程安全的單例模式
（注意：Java代碼中的特殊字符已轉義）

public class Singleton {private static volatile Singleton instance;private Singleton() {// 防止反射調用if (instance != null) {throw new IllegalStateException("Already initialized");}}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

3. 如何排查和解決死鎖問題

排查方法

• 使用線程轉儲（Thread Dump）工具分析線程的鎖持有情況；
• 利用 JDK 內置的監控工具（如 VisualVM、JConsole、ThreadMXBean）檢測死鎖；
• 檢查代碼中鎖的獲取順序是否一致，是否存在資源循環等待。

解決措施

• 統一鎖順序：確保所有線程按照相同順序獲取多個鎖；
• 使用超時鎖：采用 tryLock() 設置超時，避免長時間等待；
• 細化鎖粒度：減少單個鎖保護的資源范圍，或采用無鎖算法與樂觀鎖。

4. 如何避免競態條件（Race Condition）

加鎖同步

• 使用 synchronized 或 ReentrantLock 等互斥機制，確保同一時間只有一個線程訪問共享數據。

原子操作

• 利用原子類（如 AtomicInteger、AtomicLong）保證對單個變量的原子更新。

不可變對象設計

• 使用不可變對象，避免在并發場景下對對象狀態的修改。

線程安全的集合

• 采用并發容器（如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList）管理共享數據，避免并發修改問題。

5. 如何設計高并發場景下的計數器

原子變量

• 使用 AtomicInteger 或 AtomicLong 提供無鎖計數操作，適用于簡單的計數場景。

LongAdder/LongAccumulator

• 在高并發場景下，使用 LongAdder（JDK8及以上）分散熱點，多個計數單元并行累加，最后合并結果。

分段計數器

• 將計數器分為多個獨立部分，每個線程或線程組維護各自的局部計數，定期合并成全局計數，降低鎖競爭。

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九、底層原理與擴展

1. Java 線程與操作系統線程的關系

• 映射關系：Java 線程是由 JVM 映射到底層操作系統線程，通常采用 1:1 模型，即每個 Java 線程對應一個操作系統線程。
• 操作系統調度：操作系統負責線程的調度、上下文切換等底層管理，JVM 則在此基礎上提供高級的線程管理功能，如線程池和并發工具。
• 資源管理：底層線程由操作系統管理資源，Java 線程的創建、銷毀和調度都依賴于操作系統的支持。

2. 什么是協程（Coroutine）？Java 中的虛擬線程（Loom 項目）

• 協程（Coroutine）

  • 協程是一種輕量級的線程實現，可以在單個線程中實現多個任務之間的切換。
  • 它通過保存和恢復執行上下文來實現并發執行，切換開銷遠低于操作系統線程的上下文切換。
  • 協程通常由用戶級庫調度，不依賴于操作系統的線程管理。

• Java 中的虛擬線程（Loom 項目）

  • Project Loom 是 Java 的一個實驗性項目，旨在引入虛擬線程這一概念，使得創建成千上萬的線程成為可能。
  • 虛擬線程基于協程思想，能夠在用戶空間內高效調度，極大降低線程切換和資源消耗。
  • 該項目有望簡化并發編程模型，使得編寫高并發應用程序更加直觀和高效。

3. 如何通過 jstack 分析線程狀態

• 生成線程堆棧信息：使用命令 jstack <pid>（其中 <pid> 是 Java 進程的標識）獲取當前線程的狀態及堆棧信息。
• 分析線程狀態：
  • 查看各線程的狀態，如 RUNNABLE、WAITING、BLOCKED 等。
  • 檢查線程等待鎖和持有鎖的信息，確定是否存在死鎖或鎖競爭問題。
  • 根據堆棧信息定位長時間阻塞或運行緩慢的線程，幫助分析性能瓶頸或故障原因。

4. 什么是偽共享（False Sharing）？如何避免？

• 偽共享定義：

  • 當多個線程在不同的變量上操作時，如果這些變量恰好位于同一個 CPU 緩存行中，會引起頻繁的緩存行失效和重載，進而影響性能。

• 避免方法：

  • 內存填充（Padding）：通過在變量之間添加無用的數據字段（例如額外的 long 型字段）來確保它們不在同一緩存行上。
  • 使用 @Contended 注解：在 Java 8 及以上版本中，可以使用 @Contended 注解標記容易發生偽共享的變量（需在 JVM 啟動參數中啟用 -XX:-RestrictContended）。
  • 合理的數據結構設計：在設計并發數據結構時，考慮將易沖突的變量分散到不同的緩存行中，減少互相影響。

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十、其他擴展問題

1. 如何實現異步編程（如 CompletableFuture、Reactive Streams）？

CompletableFuture

• CompletableFuture 是 Java 8 引入的異步編程工具，它支持鏈式操作，可以避免傳統回調地獄（Callback Hell）。
• 主要方法包括 supplyAsync()、thenApply()、thenAccept()、thenCompose()、handle() 等。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;public class AsyncExample {public static void main(String[] args) {CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "Hello, World!";}).thenApply(result -> {return result + " - Processed";}).thenAccept(System.out::println);}
}

Reactive Streams

• Reactive Streams 是一種基于發布-訂閱模式的異步處理標準，支持 非阻塞 與 背壓（Back Pressure） 機制。
• 常見實現有 Project Reactor（Spring WebFlux）和 RxJava。
• 核心組件：
  • Publisher（發布者）：生產數據流。
  • Subscriber（訂閱者）：消費數據流。
  • Subscription（訂閱）：連接 Publisher 和 Subscriber，管理數據傳輸速率。
  • Processor（處理器）：既是 Publisher 也是 Subscriber，可對流數據進行處理。

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2. 分布式鎖與單機鎖的區別

單機鎖

• 僅用于單個 JVM 內部，保證線程間同步。
• 實現方式：
  • synchronized 關鍵字
  • ReentrantLock 可重入鎖
• 優點：實現簡單、開銷低。
• 缺點：無法跨進程或跨服務器同步。

分布式鎖

• 用于多個進程或服務器之間的同步控制。
• 常見實現：
  • 基于 Redis：如 SET NX EX 方式。
  • 基于 ZooKeeper：利用 EPHEMERAL（臨時節點）實現鎖。
  • 基于數據庫：使用數據庫表中的唯一字段實現鎖（效率較低）。
• 優點：支持跨服務同步，防止分布式環境下的數據競爭。
• 缺點：實現復雜，需要考慮網絡延遲、鎖超時、鎖丟失等問題。

import redis.clients.jedis.Jedis;public class RedisLock {private Jedis jedis;private String lockKey = "distributed_lock";public RedisLock(Jedis jedis) {this.jedis = jedis;}public boolean lock() {return "OK".equals(jedis.set(lockKey, "locked", "NX", "EX", 10));}public void unlock() {jedis.del(lockKey);}
}

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3. 無鎖編程（Lock-Free）的實現思路

CAS（Compare-And-Swap）

• CAS 操作：比較并交換，保證多個線程同時更新時的原子性。
• Java 中的無鎖實現：
  • AtomicInteger
  • AtomicLong
  • AtomicReference
• 缺點：
  • 可能出現 ABA 問題（即值改變了但看起來未變）。
  • 高并發下可能導致 自旋過多，消耗 CPU。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class CASExample {private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {count.incrementAndGet(); // 使用 CAS 增加計數System.out.println("Counter: " + count.get());}
}

樂觀鎖

• 原理：不主動加鎖，而是在更新前檢查數據版本，若檢測到沖突則重試。
• 實現方式：
  • CAS（Compare-And-Swap） 操作
  • 版本號機制（如數據庫的 version 字段）
• 適用于：高并發、沖突較少的場景。

無鎖數據結構

• 設計時避免使用鎖，如 ConcurrentLinkedQueue 采用 CAS + 鏈表的方式更新數據。
• 示例：
  • ConcurrentLinkedQueue
  • LongAdder（分段計數，減少鎖競爭）
  • CopyOnWriteArrayList（寫時復制）

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4. 高并發場景下常見的性能優化手段

1. 減少鎖競爭

• 使用 細粒度鎖 或 分段鎖 降低鎖競爭。
• 無鎖數據結構 代替同步容器（如 ConcurrentHashMap）。
• 讀寫鎖 代替互斥鎖（ReentrantReadWriteLock）。

2. 線程池優化

• 合理配置線程池：
  • CPU 密集型任務：線程數 = CPU 核心數 + 1
  • IO 密集型任務：線程數 = CPU 核心數 * 2
• 避免頻繁創建/銷毀線程，實現線程復用。

3. 緩存機制

• 本地緩存（如 Caffeine、Guava Cache）。
• 分布式緩存（如 Redis、Memcached）。
• 讀寫分離、數據預熱，減少數據庫壓力。

4. 異步 & 批量處理

• 采用消息隊列（MQ），如 Kafka、RabbitMQ 進行異步處理。
• 批量操作（如數據庫批量插入 batch insert）。

5. 數據結構優化

• 選擇合適的數據結構，避免不必要的鎖競爭：
  • ConcurrentHashMap 代替 Hashtable
  • CopyOnWriteArrayList 代替 ArrayList（適用于讀多寫少的場景）
• 避免偽共享（False Sharing），通過 緩存行填充 提高 CPU 緩存命中率。

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