Java线程安全面试题

2019-05-3119:17:09后端程序开发Comments2,716 views字数 4156阅读模式

线程安全有以下几种实现方式：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

不可变
不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，不需要再采取任何的线程安全保障措施。只要一个不可变的对象被正确地构建出来，永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。多线程环境下，应当尽量使对象成为不可变，来满足线程安全。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

不可变的类型：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

final 关键字修饰的基本数据类型
String
枚举类型
Number 部分子类，如 Long 和 Double 等数值包装类型，BigInteger 和 BigDecimal 等大数据类型。但同为 Number 的原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong 则是可变的。
对于集合类型，可以使用 () 方法来获取一个不可变的集合。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public class ImmutableExample {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public static void main(String[] args) {
    Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
    Map<String, Integer> unmodifiableMap = (map);
    ("a", 1);
}

}
Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

at java.util.Collections$()
at ImmutableExample.main()

() 先对原始的集合进行拷贝，需要对集合进行修改的方法都直接抛出异常。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public V put(K key, V value) {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

throw new UnsupportedOperationException();

}
互斥同步
synchronized 和 ReentrantLock。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

非阻塞同步
互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题。无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁（这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁）、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

CAS
随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略：先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施（不断地重试，直到成功为止）。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是：比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

AtomicInteger
包里面的整数原子类 AtomicInteger 的方法调用了 Unsafe 类的 CAS 操作。

以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public void add() {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

();

}
以下代码是 incrementAndGet() 的源码，它调用了 Unsafe 的 getAndAddInt() 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public final int incrementAndGet() {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;

}
以下代码是 getAndAddInt() 源码，var1 指示对象内存地址，var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4 指示操作需要加的数值，这里为 1。通过 getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值，通过调用 compareAndSwapInt() 来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 var5，那么就更新内存地址为 var1+var2 的变量为 var5+var4。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

int var5;
do {
    var5 = (var1, var2);
} while(!(var1, var2, var5, var5 + var4));

return var5;

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

ABA
如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

无同步方案
要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

栈封闭
多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

public class StackClosedExample {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public void add100() {
    int cnt = 0;
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        cnt++;
    }
    (cnt);
}

}
public static void main(String[] args) {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

StackClosedExample example = new StackClosedExample();
ExecutorService executorService = ();
(() -> ());
(() -> ());
();

}
100
100文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

线程本地存储（Thread Local Storage）
如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。

符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式（如“生产者-消费者”模式）都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”（Thread-per-Request）的处理方式，这种处理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

可以使用类来实现线程本地存储功能。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

对于以下代码，thread1 中设置 threadLocal 为 1，而 thread2 设置 threadLocal 为 2。过了一段时间之后，thread1 读取 threadLocal 依然是 1，不受 thread2 的影响。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public class ThreadLocalExample {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public static void main(String[] args) {
    ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        (1);
        try {
            (1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            ();
        }
        (());
        ();
    });
    Thread thread2 = new Thread(() -> {
        (2);
        ();
    });
    ();
    ();
}

}
1
为了理解 ThreadLocal，先看以下代码：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public class ThreadLocalExample1 {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public static void main(String[] args) {
    ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal();
    ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        (1);
        (1);
    });
    Thread thread2 = new Thread(() -> {
        (2);
        (2);
    });
    ();
    ();
}

}
它所对应的底层结构图为：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

每个 Thread 都有一个对象。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

by the ThreadLocal class. */
threadLocals = null;

当调用一个 ThreadLocal 的 set(T value) 方法时，先得到当前线程的 ThreadLocalMap 对象，然后将 ThreadLocal->value 键值对插入到该 Map 中。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public void set(T value) {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

Thread t = ();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
    (this, value);
else
    createMap(t, value);

}
get() 方法类似。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

public T get() {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

Thread t = ();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
    ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
    if (e != null) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        T result = (T)e.value;
        return result;
    }
}
return setInitialValue();

}
ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

可重入代码（Reentrant Code）
这种代码也叫做纯代码（Pure Code），可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。

可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/13246.html

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