Java高併發

• 1.什麼是程序
• 2.什麼是執行緒
• 3.程序間如何通訊
• 4.執行緒間如何通訊
• 5.同步和非同步有何不同，在什麼情況下分別使用它們？舉例說明
• 6.程序排程演算法
• 7.Java中Unsafe類詳解
• 8.如何測試併發量？
• 9.有三個執行緒T1，T2，T3，怎麼確保它們按順序執行？
• 10.什麼是執行緒排程器(Thread Scheduler)和時間分片(Time Slicing)？
• 11.資料庫死鎖？
• 12.什麼是鎖順序死鎖？
• 13.死鎖的避免與診斷？
• 14.常見的併發容器？
• 15.常見的同步工具類？
• 16.Nginx多程序模型是如何實現高併發的？
• 17.CopyOnWriteArrayList
• 18.AQS
• 19.Java裡的阻塞佇列
• 20.Fork/Join框架
• 線上刷題

1.什麼是程序

程序是指執行中的應用程式，每個程序都有自己獨立的地址空間（記憶體空間）。
比如使用者點選桌面的IE瀏覽器，就啟動了一個程序，作業系統就會為該程序分配獨立的地址空間。當用戶再次點選左邊的IE瀏覽器，又啟動了一個程序，作業系統將為新的程序分配新的獨立的地址空間。目前作業系統都支援多程序。

2.什麼是執行緒

程序是表示自願分配的基本單位。而執行緒則是程序中執行運算的最小單位，即執行處理機排程的基本單位。通俗來講：一個程式有一個程序，而一個程序可以有多個執行緒。

3.程序間如何通訊

管道(pipe)

管道是一種半雙工的通訊方式，資料只能單向流動，而且只能在具有親緣關係的程序間使用。程序的親緣關係通常是指父子程序關係
有名管道(namedpipe)

有名管道也是半雙工的通訊方式，但是它云溪無親緣關係程序間的通訊。
訊號量(semaphore)

訊號量是一個計數器，可以用來控制多個程序對共享資源的訪問。它常作為一種鎖機制，防止某程序正在訪問共享資源時，其他程序也訪問該資源。因此，主要作為程序間以及同一程序內不同執行緒之間的同步手段。
訊息佇列（messagequeue）

訊息佇列裡有訊息的連結串列，存放在核心中並由訊息佇列識別符號標識。訊息佇列克服了訊號傳遞訊息少、管道只能承載無格式位元組流以及緩衝區大小受限等缺點
訊號（signal）

訊號是一種比較複雜的通訊方式，用於通知接收程序某個事件已經發生
共享記憶體（shared memory）

共享記憶體就是對映一段能被其他程序所訪問的記憶體，這段共享記憶體由一個程序建立，但多個程序都可以訪問。共享記憶體是最快的IPC方式，它是針對其他程序間通訊方式執行效率低而專門設計的。它往往與其他通訊機制，如訊號量配合使用，來實現程序間的同步和通訊。
套接字（socket）

套介面也是一種程序間通訊機制，以其他通訊機制不同的是，它可用於不同程序間的通訊

4.執行緒間如何通訊

鎖機制：包括互斥鎖、條件變數、讀寫鎖

互斥鎖提供了以排他方式防止資料結構被併發修改的方法
讀寫鎖允許多個執行緒同時讀共享資料，而對寫操作是互斥的
條件變數可以以原子的方式阻塞程序，直到某個特定條件為真為止。對條件的測試是在互斥鎖的保護下進行的。條件變數始終與互斥鎖一起使用。
訊號量機制：包括無名執行緒訊號量和命名執行緒訊號量

訊號機制：類似程序間的訊號處理
執行緒間的通訊目的只要是用於新城同步，所以執行緒沒有像程序通訊中的用於資料交換的通訊機制。

5.同步和非同步有何不同，在什麼情況下分別使用它們？舉例說明

如果資料將線上程間共享。例如：正在寫的資料以後可能會被另一個執行緒讀到，或者正在讀的資料可能已經被另一個執行緒寫過了，那麼這些資料就是共享資料，必須進行同步存取
當應用程式在物件上呼叫了一個需要花費很長時間來執行的方法，並且不希望讓程式等待方法的返回時，就應該使用非同步程式設計，在很多情況下采用非同步途徑往往更有效。
同步互動：指傳送一個請求，需要等待返回，然後才能傳送下一個請求，有個等待的過程
非同步互動：指傳送一個請求，不需要等待返回，隨時可以再發送下一個請求，即不需要等待。
區別：一個需要等待，一個不需要等待

6.程序排程演算法

實時系統：FIFO(First Input First Output，先進先出演算法)，SJF(Shortest Job First，最短作業優先演算法)，SRTF(Shortest Remaining Time First，最短剩餘時間優先演算法）。
互動式系統：RR(Round Robin，時間片輪轉演算法)，HPF(Highest Priority First，最高優先順序演算法)，多級佇列，最短程序優先，保證排程，彩票排程，公平分享排程。

7.Java中Unsafe類詳解

1. 通過Unsafe類可以分配記憶體，可以釋放記憶體；類中提供的3個本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分別用於分配記憶體，擴充記憶體和釋放記憶體，與C語言中的3個方法對應。
2. 可以定位物件某欄位的記憶體位置，也可以修改物件的欄位值，即使它是私有的；
3. 掛起與恢復:將一個執行緒進行掛起是通過park方法實現的，呼叫 park後，執行緒將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現。unpark可以終止一個掛起的執行緒，使其恢復正常。整個併發框架中對執行緒的掛起操作被封裝在 LockSupport類中，LockSupport類中有各種版本pack方法，但最終都呼叫了Unsafe.park()方法。
4. cas
   Java中Unsafe類詳解

8.如何測試併發量？

可以使用apache提供的ab工具測試。

9.有三個執行緒T1，T2，T3，怎麼確保它們按順序執行？

在多執行緒中有多種方法讓執行緒按特定順序執行，你可以用執行緒類的join()方法在一個執行緒中啟動另一個執行緒，另外一個執行緒完成該執行緒繼續執行。為了確保三個執行緒的順序你應該先啟動最後一個(T3呼叫T2，T2呼叫T1)，這樣T1就會先完成而T3最後完成。

10.什麼是執行緒排程器(Thread Scheduler)和時間分片(Time Slicing)？

　執行緒排程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。一旦我們建立一個執行緒並啟動它，它的執行便依賴於執行緒排程器的實現。

　　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順序或者執行緒等待的時間。執行緒排程並不受到Java虛擬機器控制，所以由應用程式來控制它是更好的選擇（即最好不要讓你的程式依賴於執行緒的優先順序）。

11.資料庫死鎖？

在執行一個事務時可能要獲取多個鎖，一直持有鎖到事務提交，如果A事務需要獲取的鎖在另一個事務B中，且B事務也在等待A事務所持有的鎖，那麼兩個事務之間就會發生死鎖。但資料庫死鎖比較少見，資料庫會加以干涉死鎖問題，犧牲一個事務使得其他事務正常執行。

12.什麼是鎖順序死鎖？

兩個執行緒試圖以不同的順序獲得相同的鎖，那麼可能發發生死鎖。比如轉賬問題，由from賬戶向to賬戶轉賬，假設每次我們先同步from物件，再同步to賬戶，然後執行轉賬操作，貌似沒什麼問題。如果這時候to賬戶同時向from賬戶轉賬，那麼兩個執行緒可能要永久等待了。

13.死鎖的避免與診斷？

如果一個執行緒最多隻能獲取一個鎖，那麼就不會發生鎖順序死鎖了。如果確實需要獲取多個鎖，鎖的順序可以按照某種規約，比如兩個資源的id值，程式按規約保證獲取鎖的順序一致。或者可以使用顯式的鎖Lock，獲取鎖的時候設定超時時間，超時後可以重新發起，以避免發生死鎖。

14.常見的併發容器？

ConcurrentHashMap：使用了分段鎖，鎖的粒度變得更小，多執行緒訪問時，可能都不存在鎖的競爭，所以大大提高了吞吐量。簡單對比來看，就好比資料庫上用行鎖來取代表鎖，行鎖無疑帶來更大的併發。
CopyOnWriteArrayList：寫入時複製，多執行緒訪問時，彼此不會互相干擾或被修改的執行緒所幹擾，當然copy時有開銷的，尤其時列表元素龐大，且寫入操作頻繁時，所以僅當迭代操作遠遠大於修改操作時，才應該考慮使用。
BlockingQueue：阻塞佇列提供了可阻塞的put和take方法，當佇列已經滿了，那麼put操作將阻塞到佇列可用，當佇列為空時，take操作會阻塞到佇列裡有資料。有界的佇列是一種強大的資源管理器，可以在程式負荷過載時保護應用，可作為一種服務降級的策略。阻塞佇列還提供offer操作，當資料無法加入佇列時，返回失敗狀態，給應用主動處理負荷過載帶來更多靈活性。

15.常見的同步工具類？

CountDownLatch：遞減計數器閉鎖，直到達到某個條件時才放行，多執行緒可以呼叫await方法一直阻塞，直到計數器遞減為零。比如我們連線zookeeper，由於連線操作是非同步的，所以可以使用countDownLatch建立一個計數器為1的鎖，連線掛起，當非同步連線成功時，呼叫countDown通知掛起執行緒；再比如5V5遊戲競技，只有房間人滿了才可以開始遊戲。
FutureTask：帶有計算結果的任務，在計算完成時才能獲取結果，如果計算尚未完成，則阻塞 get
方法。FutureTask將計算結果從執行執行緒傳遞到獲取這個結果的執行緒。
Semaphore：訊號量，用來控制同時訪問某個特定資源的數量，只有獲取到許可acquire，才能夠正常執行，並在完成後釋放許可，acquire會一致阻塞到有許可或中斷超時。使用訊號量可以輕鬆實現一個阻塞佇列。
CyclicBarrier：類似於閉鎖，它可以阻塞一組執行緒，只有所有執行緒全部到達以後，才能夠繼續執行，so執行緒必須相互等待。這在平行計算中是很有用的，將一個問題拆分為多個獨立的子問題，當執行緒到達柵欄時，呼叫await等待，一直阻塞到所有參與執行緒全部到達，再執行下一步任務。

16.Nginx多程序模型是如何實現高併發的？

程序數與併發數不存在很直接的關係。這取決取server採用的工作方式。如果一個server採用一個程序負責一個request的方式，那麼程序數就是併發數。那麼顯而易見的，就是會有很多程序在等待中。等什麼？最多的應該是等待網路傳輸。

Nginx的非同步非阻塞工作方式正是利用了這點等待的時間。在需要等待的時候，這些程序就空閒出來待命了。因此表現為少數幾個程序就解決了大量的併發問題。apache是如何利用的呢，簡單來說：同樣的4個程序，如果採用一個程序負責一個request的方式，那麼，同時進來4個request之後，每個程序就負責其中一個，直至會話關閉。期間，如果有第5個request進來了。就無法及時反應了，因為4個程序都沒幹完活呢，因此，一般有個排程程序，每當新進來了一個request，就新開個程序來處理。nginx不這樣，每進來一個request，會有一個worker程序去處理。但不是全程的處理，處理到什麼程度呢？處理到可能發生阻塞的地方，比如向上遊（後端）伺服器轉發request，並等待請求返回。那麼，這個處理的worker不會這麼傻等著，他會在傳送完請求後，註冊一個事件：“如果upstream返回了，告訴我一聲，我再接著幹”。於是他就休息去了。此時，如果再有request進來，他就可以很快再按這種方式處理。而一旦上游伺服器返回了，就會觸發這個事件，worker才會來接手，這個request才會接著往下走。由於web server的工作性質決定了每個request的大部份生命都是在網路傳輸中，實際上花費在server機器上的時間片不多。這是幾個程序就解決高併發的祕密所在。webserver剛好屬於網路io密集型應用，不算是計算密集型。非同步，非阻塞，使用epoll，和大量細節處的優化。也正是nginx之所以然的技術基石。

17.CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList : 寫時加鎖，當新增一個元素的時候，將原來的容器進行copy，複製出一個新的容器，然後在新的容器裡面寫，寫完之後再將原容器的引用指向新的容器，而讀的時候是讀舊容器的資料，所以可以進行併發的讀，但這是一種弱一致性的策略。
使用場景：CopyOnWriteArrayList適合使用在讀操作遠遠大於寫操作的場景裡，比如快取。

18.AQS

1. AQS使用一個int成員變數來表示同步狀態，通過內建的FIFO佇列來完成獲取資源執行緒的排隊工作。

private volatile int state;//共享變數，使用volatile修飾保證執行緒可見性

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1. 2種同步方式：獨佔式，共享式。獨佔式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，組合式的如ReentrantReadWriteLock

2. 節點的狀態
   CANCELLED，值為1，表示當前的執行緒被取消；
   SIGNAL，值為-1，表示當前節點的後繼節點包含的執行緒需要執行，也就是unpark；
   CONDITION，值為-2，表示當前節點在等待condition，也就是在condition佇列中；
   PROPAGATE，值為-3，表示當前場景下後續的acquireShared能夠得以執行；
   值為0，表示當前節點在sync佇列中，等待著獲取鎖。

3. 模板方法模式

   　protected boolean tryAcquire(int arg) : 獨佔式獲取同步狀態，試著獲取，成功返回true，反之為false

   　protected boolean tryRelease(int arg) ：獨佔式釋放同步狀態，等待中的其他執行緒此時將有機會獲取到同步狀態；

   　protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式獲取同步狀態，返回值大於等於0，代表獲取成功；反之獲取失敗；

   　protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式釋放同步狀態，成功為true，失敗為false

   AQS維護一個共享資源state，通過內建的FIFO來完成獲取資源執行緒的排隊工作。該佇列由一個一個的Node結點組成，每個Node結點維護一個prev引用和next引用，分別指向自己的前驅和後繼結點。雙端雙向連結串列。

   1. 獨佔式:樂觀的併發策略
      acquire
      　a.首先tryAcquire獲取同步狀態，成功則直接返回；否則，進入下一環節；
      b.執行緒獲取同步狀態失敗，就構造一個結點，加入同步佇列中，這個過程要保證執行緒安全；
      　c.加入佇列中的結點執行緒進入自旋狀態，若是老二結點（即前驅結點為頭結點），才有機會嘗試去獲取同步狀態；否則，當其前驅結點的狀態為SIGNAL，執行緒便可安心休息，進入阻塞狀態，直到被中斷或者被前驅結點喚醒。
      release
      release的同步狀態相對簡單，需要找到頭結點的後繼結點進行喚醒，若後繼結點為空或處於CANCEL狀態，從後向前遍歷找尋一個正常的結點，喚醒其對應執行緒。

4. 共享式:
   共享式地獲取同步狀態.同步狀態的方法tryAcquireShared返回值為int。
   a.當返回值大於0時，表示獲取同步狀態成功，同時還有剩餘同步狀態可供其他執行緒獲取；
   　b.當返回值等於0時，表示獲取同步狀態成功，但沒有可用同步狀態了；
   　c.當返回值小於0時，表示獲取同步狀態失敗。

5. AQS實現公平鎖和非公平鎖
   非公平鎖中，那些嘗試獲取鎖且尚未進入等待佇列的執行緒會和等待佇列head結點的執行緒發生競爭。公平鎖中，在獲取鎖時，增加了isFirst(current)判斷，當且僅當，等待佇列為空或當前執行緒是等待佇列的頭結點時，才可嘗試獲取鎖。
   　Java併發包基石-AQS詳解

19.Java裡的阻塞佇列

7個阻塞佇列。分別是

ArrayBlockingQueue ：一個由陣列結構組成的有界阻塞佇列。
LinkedBlockingQueue ：一個由連結串列結構組成的有界阻塞佇列。
PriorityBlockingQueue ：一個支援優先順序排序的無界阻塞佇列。
DelayQueue：一個使用優先順序佇列實現的無界阻塞佇列。
SynchronousQueue：一個不儲存元素的阻塞佇列。
LinkedTransferQueue：一個由連結串列結構組成的無界阻塞佇列。
LinkedBlockingDeque：一個由連結串列結構組成的雙向阻塞佇列。

新增元素

Java中的阻塞佇列介面BlockingQueue繼承自Queue介面。BlockingQueue介面提供了3個新增元素方法。
add：新增元素到佇列裡，新增成功返回true，由於容量滿了新增失敗會丟擲IllegalStateException異常
offer：新增元素到佇列裡，新增成功返回true，新增失敗返回false
put：新增元素到佇列裡，如果容量滿了會阻塞直到容量不滿

刪除方法

3個刪除方法
poll：刪除佇列頭部元素，如果佇列為空，返回null。否則返回元素。
remove：基於物件找到對應的元素，並刪除。刪除成功返回true，否則返回false
take：刪除佇列頭部元素，如果佇列為空，一直阻塞到佇列有元素並刪除

20.Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java 7提供的一個用於並行執行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終彙總每個小任務結果後得到大任務結果的框架。Fork/Join框架要完成兩件事情：

　　1.任務分割：首先Fork/Join框架需要把大的任務分割成足夠小的子任務，如果子任務比較大的話還要對子任務進行繼續分割

　　2.執行任務併合並結果：分割的子任務分別放到雙端佇列裡，然後幾個啟動執行緒分別從雙端佇列裡獲取任務執行。子任務執行完的結果都放在另外一個佇列裡，啟動一個執行緒從佇列裡取資料，然後合併這些資料。

　　在Java的Fork/Join框架中，使用兩個類完成上述操作

　　1.ForkJoinTask:我們要使用Fork/Join框架，首先需要建立一個ForkJoin任務。該類提供了在任務中執行fork和join的機制。通常情況下我們不需要直接整合ForkJoinTask類，只需要繼承它的子類，Fork/Join框架提供了兩個子類：

　　　　a.RecursiveAction：用於沒有返回結果的任務

　　　　b.RecursiveTask:用於有返回結果的任務

　　2.ForkJoinPool:ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行

　　任務分割出的子任務會新增到當前工作執行緒所維護的雙端佇列中，進入佇列的頭部。當一個工作執行緒的佇列裡暫時沒有任務時，它會隨機從其他工作執行緒的佇列的尾部獲取一個任務(工作竊取演算法)。
Fork/Join框架的實現原理
　　ForkJoinPool由ForkJoinTask陣列和ForkJoinWorkerThread陣列組成，ForkJoinTask陣列負責將存放程式提交給ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread負責執行這

線上刷題小程式

參考連結

https://blog.csdn.net/weixin_41050155/article/details/88047556

https://www.cnblogs.com/jjunior/p/14113248.html

https://www.cnblogs.com/yang-yutao/p/11553044.html

https://blog.csdn.net/qq_20980207/article/details/98846287

https://github.com/JavaInterviewHub/JavaInterview/blob/main/Java高併發.md