02.关于线程你必须知道的8个问题（上）

作者: 王有志 | 来源:发表于2022-10-25 21:28 被阅读0次

大家好，我是王有志，欢迎来到《Java面试都问啥？》的第一篇技术文章。

这个系列会从Java部分开始，接着是MySQL和Redis的内容，同时会继续更新数据结构与算法的部分，这样在第一阶段，我们就完成了面试“三幻神”的挑战。

Java的部分从并发编程开始，接着是Java虚拟机，最后是集合框架。至于Java基础，因为大部分只是API的使用，所以只提供整理好的题目，而涉及到反射，动态代理等内容，会在集合框架完成后补充。

那么话不多说，我们直接开始吧。

并发编程都问啥？

每个模块开始时，我都会放出这一模块中知识点的统计数据，供大家参考。

统计中，我将并发编程分为了5个知识点：

线程基础：线程的基本概念，Thread类的使用等；
线程池：线程池的原理，线程池的使用等；
synchronized：原理，锁升级，优化等；
volatile：原理，指令重排，JMM相关等；
ThreadLocal：原理，使用方法，内存泄漏等；
JUC：Lock接口，并发容器，CAS，AQS等。

统计到并发编程关键词174次，线程出现37次，线程池出现22次，synchronized出现30次，volatile出现12次，ThreadLocal出现8次，JUC出现44次，剩余21次仅提到多线程/并发编程。

并发编程统计数据.png

从图中看，ThreadLocal和volatile出现概率较低，但个人建议面试准备中，并发编程的部分要全量准备。

数据大家都看到了，接下来看看各大公司都会问哪些关于线程的问题。这部分题目主要收集自某准网面经，浅紫色底色的题目是我和小伙伴在面试过程遇到过的。

MarkDown的表格实在太丑了，偷个懒使用图片代替了，文末附上整理后Excel的获取方式。

线程面试题目.png

关于线程你必须知道的8个问题

涉及到概念性的题目就不过多赘述了，这些可以通过百度百科获取到答案。在这里我挑选了8道比较有代表性的问题，和大家分享我的理解。

并发编程的3要素

并发编程的3要素：

原子性：操作不可分割，要么不间断的全部执行，要么全部不执行；
有序性：指程序按照代码的顺序结构执行；
可见性：当一个线程修改了共享变量后，其它线程也是立即可见的。

概念很简单，我们写一些代码展示下有序性和可见性的问题（原子性实在没有想到很好的例子，有没有小伙伴提供示例呢）。

有序性问题

public static class Singleton {
    private Singleton instance;
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
  
    private Singleton() {
    }
}

这是有序性问题的经典案例--未做同步控制的单例模式。当instance还未初始化时，多个线程同时调用getInstance方法，很容易出现其中一个线程获取到的instance为NULL。

这里涉及Java创建对象的操作，CPU时间片分配的问题，解决它的办法也有很多，暂时按下不表，放到volatile关键字的内容中详细解释。

可见性问题

private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
        while (flag) {
        }
        System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + "，flag：" + flag);
    }, "block_thread").start();

    TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(500);
    
    new Thread(() -> {
        flag = false;
        System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + "，flag：" + flag);
    }, "change_thread").start();
}

很明显，在change_thread中修改了flag，并不会使block_thread得到解脱，这就是共享变量在线程间不可见的问题。

Java创建线程的方式

通常网上的资料会给出4种创建线程的方式：

继承Thread类
实现Runnable接口
实现Callable接口
通过线程池创建

先不评价这个答案的正确性，我们先来看看继承Thread类，实现Runnable接口和实现Callable接口是如何使用的。

继承Thread类

public class ByThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("main的线程：" + Thread.currentThread().getName());
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
    
    static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("MyThread的线程：" + Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

继承Thread类要实现run方法，用于完成业务逻辑，该方法来自于Runnable接口。启动线程通过Thread.start方法，方法内通过调用native方法start0来启动线程。

实现Runnable接口

public class ByRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main的线程：" + Thread.currentThread().getName());
        new Thread(new MyRunnable()).start();
    }

    static class MyRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("MyRunnable的线程：" + Thread.currentThread().getName());  
        }
    }
}

实现Runnable接口同样要实现run方法，启动线程依旧是通过Thread.start方法。

实质上继承Thread类和实现Runnable接口没有差别，只不过是隔代实现run方法还是直接实现run方法。

实现Callable接口

public class ByCallable  {  
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        System.out.println("main的线程：" + Thread.currentThread().getName());
        Callable<String> callable = new MyCallable();
        FutureTask <String> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        new Thread(futureTask).start();
        System.out.println("MyCallable的执行线程：" + futureTask.get());
    }
    
    static class MyCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() {
            System.out.println("MyCallable的线程：" + Thread.currentThread().getName());
            return Thread.currentThread().getName();
        }
    }
}

实现Callable接口看起来会复杂一些，但通过代码可以看出来，最终还是回归到Thread.start方法，根据经验，这种方式是不是和Runnable有关系？

另外，我们注意到这种方式中借助到了FutureTask类，来看看FutureTask的继承关系：

FutureTask继承关系.png

不出所料，FutureTask同样要实现Runnable.run方法，只不过这次由FutureTask实现，FutureTask在run方法中调用Callable.call方法来执行业务逻辑。

我们来回顾下这3种方式的特点，启动线程都是通过Thread.start方法，start方法的基本执行单位是Runnable接口，它们直接的差异在于如何实现Runnable.run方法。另一个差异就是Callable.call方法是有返回值的，而Runnable.run方法没有返回值。

使用线程池

public class ByThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main的线程：" + Thread.currentThread().getName());
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程池的线程：" + Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        executorService.execute(runnable);
        executorService.shutdown();
    }
}

使用线程池依旧离不开Runnable.run方法，会不会和Callable一样本质上还是Thread.start？

如果不熟悉ThreadPoolExecutor源码的话，可以采用断点的方式去跟踪源码，重点关注ThreadPoolExecutor.execute和ThreadPoolExecutor.addWorker两个方法。

我们可以在addWorker方法中发现两行关键代码：

final Thread t = w.thread;
t.start();

这证实了关于ThreadPoolExecutor底层调用的猜想，最终依旧是通过Thread.start方法启动。

回到最初的问题，Java有几种创建线程的方式？

如果从Java的层面来看，可以认为创建Thread类的实例对象就完成了线程的创建，而调用Thread.start0可以认为是操作系统层面的线程创建和启动。

至于网上说的4种创建线程的方式，个人认为将它们归类到线程中业务逻辑的实现方式更合理。

Java的线程状态

Java中定义了6种线程状态（与OS的线程状态有差别），线程状态的枚举类被定义为Thread的内部类State。

public enum State {
    NEW,
    RUNNABLE,
    BLOCKED,
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

需要注意，Java中并未定义线程的RUNNING状态，而是通过RUNNABLE包含了RUNNABLE（可运行）和RUNNING（运行中）。

建议大家阅读源码中的注释，很清晰的解释了每个状态的场景。下面我还是通过几段代码展示线程的不同状态。

Tips：代码中出现的TimeUnit.MILLISECONDS.sleep是为了确保线程已经进入期望的状态，如果不能很好的理解，文末附有Gitee地址，工程中的代码有注释。

常规状态的转换

这里指的是线程从创建后（NEW），到启动后（RUNNABLE），再到最后终止（TERMINATED）的一种无竞争的线程状态转换。

NEW（新建）：创建线程后尚未启动（未调用start方法）；
RUNNABLE（可运行）：可运行状态的线程在Java虚拟机中等待调度线程选中获取CPU时间片；
TERMINATED（终止）：线程执行结束。

写一段简单的代码来看下：

public class NormalStateTransition {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        System.out.println("线程[" + thread.getName() + "]创建，状态：[" + thread.getState() + "]");
        thread.start();
        System.out.println("线程[" + thread.getName() + "]启动，状态：[" + thread.getState() + "]");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("线程[" + thread.getName() + "]结束，状态：[" + thread.getState() + "]");
    }
}

代码非常简单，这里就不再解释了。

常规状态的转换：

常规状态的转换.png

阻塞状态的转换

阻塞状态是一种“异常”的状态，通常是在等待资源。

BLOCKED（阻塞）：等待监视器锁而阻塞的线程状态，处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁进入同步的代码块/方法，或者在调用Object.wait之后重新进入同步的代码块/方法。

再写一段代码：

public class BlockedStateTransition {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicBoolean locker = new AtomicBoolean(false);
        new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
  
        Thread t = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程[" + Thread.currentThread().getName() + "]阻塞后，状态：[" + Thread.currentThread().getState() + "]");
            }
        });
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]创建，状态：[" + t.getState() + "]");
        t.start();
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]启动，状态：[" + t.getState() + "]");
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]阻塞中，状态：[" + t.getState() + "]");
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]结束，状态：[" + t.getState() + "]");
    }
}

首先是匿名线程持有locker，接着线程t启动，进入RUNNABLE状态，线程t尝试获取locker，进入BLOCKED状态，等待后获取到locker，进入RUNNABLE状态，最后执行结束，进入TERMINATED状态。

阻塞状态转换：

阻塞状态的转换.png

等待状态的转换

关于等待状态，Java源码的注释有详细描述如何进入等待状态，以及如何唤醒处于等待状态的线程：

Thread state for a waiting thread. A thread is in the waiting state due to calling one of the following methods:
Object.wait with no timeout
Thread.join with no timeout
LockSupport.park
A thread in the waiting state is waiting for another thread to perform a particular action. For example, a thread that has called Object.wait() on an object is waiting for another thread to call Object.notify() or Object.notifyAll() on that object. A thread that has called Thread.join() is waiting for a specified thread to terminate.

WAITING（等待）：线程处于等待状态，处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行的特定操作（通知或中断）。

再再写一段代码：

public class WaitingStateTransition {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicBoolean locker = new AtomicBoolean(false);
        Thread t = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                    locker.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程[" + Thread.currentThread().getName() + "]唤醒，状态：[" + Thread.currentThread().getState() + "]");
            }
        });
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]创建，状态：[" + t.getState() + "]");
        t.start();
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]启动，状态：[" + t.getState() + "]");
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(150);
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]等待，状态：[" + t.getState() + "]");
  
        new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                locker.notify();
            }
        }).start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]结束，状态：[" + t.getState() + "]");
    }
}

线程t创建后，进入NEW状态，启动后，进入RUNNABLE状态，locker.wait后，进入WAITING状态，匿名线程启动，locker.notify后，唤醒线程t，进入RUNNABLE状态，最后线程执行结束，进入TERMINATED状态。

等待状态的转换：

等待状态的转换.png

限时等待状态的转换

Java源码的注释上，也很详细的解释了如何进入限时等待：

Thread state for a waiting thread with a specified waiting time. A thread is in the timed waiting state due to calling one of the following methods with a specified positive waiting time:
Thread.sleep
Object.wait with timeout
Thread.join with timeout
LockSupport.parkNanos
LockSupport.parkUntil

TIMED_WAITING（限时等待）：线程处于限时等待状态，与等待状态不同的是，在指定时间后，线程会被自动唤醒。

Tips：也有翻译成超时等待的，但是我觉得不太合适。

再再再写一段代码：

public class TimedWaitingStateTransition {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程[" + Thread.currentThread().getName() + "]限时等待后，状态：[" + Thread.currentThread().getState() + "]");
        });
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]创建，状态：[" + t.getState() + "]");  
        t.start();
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]启动，状态：[" + t.getState() + "]");  
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]限时等待中，状态：[" + t.getState() + "]");
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        System.out.println("线程[" + t.getName() + "]结束，状态：[" + t.getState() + "]");  
    }
}

线程t创建后，进入NEW状态，启动后进入RUNNABLE状态，线程休眠100ms，进入TIMED_WAITING状态，休眠时间结束后，进入RUNNABLE状态，最后线程执行结束，进入TERMINATED状态。

限时等待状态的转换：

限时等待状态的转换.png

线程状态转换总结

上面我们通过4段代码了解了线程状态的转换，下面我们通过一张图来总结下线程的状态转换。

线程状态转换总结.png

结语

今天分享了并发编程的统计数据，因此面试题目较少，不过还是希望对你有帮助。

下一篇内容是剩余的5个知识点（如果一篇能够写完的话）：

Thread类核心方法
同步与互斥
Java线程调度方式
死锁的产生与解决
多线程的优点

本篇文章的代码仓库：

好了，今天就到这里了，Bye~~