線程創建和生命周期
線程的創建和生命周期涉及到線程的產生、執行和結束過程。讓我們繼續深入探索這個主題：
線程的創建方式有多種，你可以選擇適合你場景的方式：
繼承Thread類： 創建一個類，繼承自Thread類，并重寫run()方法。通過實例化這個類的對象，并調用start()方法，系統會自動調用run()方法執行線程邏輯。
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
// 線程邏輯代碼
}
}
// 創建并啟動線程
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
實現Runnable接口： 創建一個類，實現Runnable接口，并實現run()方法。通過將實現了Runnable接口的對象作為參數傳遞給Thread類的構造函數，然后調用start()方法啟動線程。
public class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// 線程邏輯代碼
}
}
// 創建并啟動線程
MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();
實現Callable接口： 創建一個類，實現Callable接口，并實現call()方法。通過創建一個FutureTask對象，將Callable對象作為參數傳遞給FutureTask構造函數，然后將FutureTask對象傳遞給Thread類的構造函數，最后調用start()方法啟動線程。
public class MyCallable implements Callable<Integer> {
public Integer call() {
// 線程邏輯代碼
return 1;
}
}
// 創建并啟動線程
MyCallable callable = new MyCallable();
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
通過線程池創建線程： 使用Java的線程池ExecutorService來管理線程的生命周期。通過提交Runnable或Callable任務給線程池，線程池會負責創建、執行和終止線程。
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
executorService.execute(new Runnable() {
public void run() {
// 線程邏輯代碼
}
});
executorService.shutdown();
線程的生命周期經歷以下幾個狀態：
- 創建狀態： 通過實例化Thread對象或者線程池來創建線程。此時線程處于新建狀態。
- 就緒狀態： 線程被創建后，調用start()方法使其進入就緒狀態。在就緒狀態下，線程等待系統分配執行的時間片。
- 運行狀態： 一旦線程獲取到CPU的時間片，就進入運行狀態，執行run()方法中的線程邏輯。
- 阻塞狀態（Blocked/Waiting/Sleeping）： 在某些情況下，線程需要暫時放棄CPU的執行權，進入阻塞狀態。阻塞狀態可以分為多種情況：
- 中斷狀態： 可以通過調用線程的interrupt()方法將線程從運行狀態轉移到中斷狀態。線程可以檢查自身是否被中斷，并根據需要作出適當的處理。
- 終止狀態： 線程執行完run()方法中的邏輯或者通過調用stop()方法被終止后，線程進入終止狀態。終止的線程不能再次啟動。
理解線程的創建和生命周期對于處理并發編程非常重要。通過選擇合適的創建方式和正確地管理線程的生命周期，可以確保線程安全、高效地運行，從而優化程序性能。
深入剖析synchronized
synchronized關鍵字在Java中用于實現線程安全的代碼塊，在其背后使用JVM底層內置的鎖機制。synchronized的設計考慮了各種并發情況，因此具有以下優點：
- 優點： 由于官方對synchronized進行升級優化，如當前鎖升級機制，因此它具有不斷改進的潛力。JVM會進行鎖的升級優化，以提高并發性能。
然而，synchronized也有一些缺點： - 缺點： 如果使用不當，可能會導致鎖粒度過大或鎖失效的問題。此外，synchronized只適用于單機情況，對于分布式集群環境的鎖機制不適用。
synchronized的鎖機制包括以下幾個階段的升級過程：
- 無鎖狀態： 初始狀態為無鎖狀態，多個線程可以同時訪問臨界區。
- 偏向鎖： 當只有一個線程訪問臨界區時，JVM會將鎖升級為偏向鎖，以提高性能。在偏向鎖狀態下，偏向線程可以直接獲取鎖，無需競爭。
- （自旋）輕量級鎖： 當多個線程競爭同一個鎖時，偏向鎖會升級為輕量級鎖。在輕量級鎖狀態下，線程會自旋一定次數，嘗試獲取鎖，而不是直接阻塞。
- 重量級鎖： 當自旋次數超過閾值或者存在多個線程競爭同一個鎖時，輕量級鎖會升級為重量級鎖。重量級鎖使用了傳統的互斥量機制，需要進行阻塞和喚醒操作。
需要注意的是，如果在輕量級鎖狀態下，有線程獲取對象的HashCode時，會直接升級為重量級鎖。這是因為鎖升級過程中使用的mark頭將HashCode部分隱去，以確保鎖升級過程的正確性。
底層實現中，synchronized使用了monitor enter和monitor exit指令來進行進入鎖和退出鎖的同步操作。對于用戶來說，這些操作是不可見的。synchronized鎖的等待隊列存儲在對象的waitset屬性中，用于線程的等待和喚醒操作。
雙重檢查單例模式解析
示例代碼：
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {
// 私有構造方法
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
為什么需要使用volatile： 雖然synchronized關鍵字可以確保線程安全，但是如果沒有volatile修飾，可能會發生指令重排的問題。volatile關鍵字的主要作用是防止指令重排，保證可見性和有序性。盡
管在實際工作中很少遇到指令重排導致的問題，但是理論上存在這種可能性，因此使用volatile修飾變量可以避免出現意外情況。
指令重排原因及影響： 指令重排是為了優化程序的執行速度，由于CPU的工作速度遠大于內存的工作速度，為了充分利用CPU資源，處理器會對指令進行重新排序。例如在創建一個對象的過程中，通常被拆分為三個步驟：1）申請空間并初始化，2）賦值，3）建立地址鏈接關系。如果沒有考慮逃逸分析，可能會發生指令重排的情況。
這種重排可能導致的問題是，當一個線程在某個時刻執行到步驟2，而另一個線程在此時獲取到了對象的引用，但是這個對象還沒有完成初始化，導致使用到未完全初始化的對象，可能會出現異常或不正確的結果。通過使用volatile關鍵字，可以禁止指令重排，確保對象的完全初始化后再進行賦值操作。
抽象隊列同步器（Abstract Queued Synchronizer）解析
抽象隊列同步器（Abstract Queued Synchronizer）是Java并發編程中非常重要的同步框架，被廣泛應用于各種鎖實現類，如ReentrantLock、CountDownLatch等。AQS提供了基于雙端隊列的同步機制，支持獨占模式和共享模式，并提供了一些基本的操作方法。
在AQS中，用來表示是否是獨占鎖的Exclusive屬性對象非常重要。它可以控制同一時間只有一個線程能夠獲取鎖，并且支持重入機制。另外，AQS的state屬性也非常關鍵，state的含義和具體用途是由具體的子類決定的。子類可以通過對state屬性的操作來實現不同的同步邏輯。例如，在ReentrantLock中，state表示鎖的持有數；在CountDownLatch中，state表示還需要等待的線程數。
此外，AQS還使用兩個Node節點來表示雙端隊列，用于存儲被阻塞的線程。這些節點會根據線程的不同狀態（如等待獲取鎖、等待釋放鎖）被添加到隊列的不同位置，從而實現線程同步和調度。
以下是一個簡化的示例代碼，展示了如何使用ReentrantLock和AQS進行線程同步：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Example {
private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
// 執行線程1的邏輯
} finally {
lock.unlock();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
// 執行線程2的邏輯
} finally {
lock.unlock();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
在上述代碼中，我們使用了ReentrantLock作為鎖工具，它內部使用了AQS來實現線程同步。通過調用lock()方法獲取鎖，并在finally塊中調用unlock()方法釋放鎖，確保線程安全執行。這樣，只有一個線程能夠獲取到鎖，并執行相應的邏輯。
總之，AQS作為Java線程同步的核心框架，在并發編程中起到了至關重要的作用。它提供了強大的同步機制，可以支持各種鎖的實現，幫助我們實現線程安全的代碼。
利用Java線程池
使用Java線程池是一種優化并行性的有效方式。線程池可以管理和復用線程，減少了線程創建和銷毀的開銷，提高了系統的性能和資源利用率。
在Java中，可以使用ExecutorService接口來創建和管理線程池。ExecutorService提供了一些方法來提交任務并返回Future對象，可以用于獲取任務的執行結果。
在創建線程池時，可以根據實際需求選擇不同的線程池類型。常用的線程池類型包括：
- FixedThreadPool：固定大小的線程池，線程數固定不變。
- CachedThreadPool：可根據需要自動調整線程數的線程池。
- SingleThreadExecutor：只有一個線程的線程池，適用于順序執行任務的場景。
- ScheduledThreadPool：用于定時執行任務的線程池。
使用線程池時，可以將任務分解為多個小任務，提交給線程池并發執行。這樣可以充分利用系統資源，提高任務執行的并行性。
同時，線程池還可以控制并發線程的數量，避免系統資源耗盡和任務過載的問題。通過設置合適的線程池大小，可以平衡系統的并發能力和資源消耗。
探索Java中的Fork/Join框架
Fork/Join框架是Java中用于處理并行任務的一個強大工具。它基于分治的思想，將大任務劃分成小任務，并利用多線程并行執行這些小任務，最后將結果合并。
在Fork/Join框架中，主要有兩個核心類：ForkJoinTask和ForkJoinPool。ForkJoinTask是一個可以被分割成更小任務的任務，我們需要繼承ForkJoinTask類并實現compute()方法來定義具體的任務邏輯。ForkJoinPool是一個線程池，用于管理和調度ForkJoinTask。
下面是一個簡單的例子，展示如何使用Fork/Join框架來計算一個整數數組的總和：
import java.util.concurrent.*;
public class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
private static final int THRESHOLD = 10;
private int[] array;
private int start;
private int end;
public SumTask(int[] array, int start, int end) {
this.array = array;
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Integer compute() {
if (end - start <= THRESHOLD) {
int sum = 0;
for (int i = start; i < end; i++) {
sum += array[i];
}
return sum;
} else {
int mid = (start + end) / 2;
SumTask leftTask = new SumTask(array, start, mid);
SumTask rightTask = new SumTask(array, mid, end);
leftTask.fork(); // 將左半部分任務提交到線程池
rightTask.fork(); // 將右半部分任務提交到線程池
int leftResult = leftTask.join(); // 等待左半部分任務的完成并獲取結果
int rightResult = rightTask.join(); // 等待右半部分任務的完成并獲取結果
return leftResult + rightResult;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = new int[100];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
array[i] = i + 1;
}
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
SumTask sumTask = new SumTask(array, 0, array.length);
int result = forkJoinPool.invoke(sumTask); // 使用線程池來執行任務
System.out.println("Sum: " + result);
}
}
在這個例子中，我們定義了一個SumTask類，繼承自RecursiveTask類，并實現了compute()方法。在compute()方法中，我們判斷任務的大小是否小于閾值，如果是，則直接計算數組的總和；如果不是，則將任務劃分成兩個子任務，并使用fork()方法將子任務提交到線程池中，然后使用join()方法等待子任務的完成并獲取結果，最后返回子任務結果的和。
在main()方法中，我們創建了一個ForkJoinPool對象，然后創建了一個SumTask對象，并使用invoke()方法來執行任務。最后打印出結果。
通過使用Fork/Join框架，我們可以方便地處理并行任務，并利用多核處理器的性能優勢。這個框架在處理一些需要遞歸分解的問題時非常高效。
總結
文章涉及了幾個常見的并發編程相關的主題。首先，線程的創建和生命周期是面試中常被問及的話題，面試官可能會詢問如何創建線程、線程的狀態轉換以及如何控制線程的執行順序等。其次，synchronized關鍵字是用于實現線程同步的重要工具，面試中可能會涉及到它的使用場景以及與其他同步機制的比較。此外，抽象隊列同步器（AQS）是Java并發編程中的核心概念，了解其原理和應用場景可以展示對并發編程的深入理解。最后，面試中可能會考察對Java線程池和Fork/Join框架的了解，包括它們的使用方法、優勢和適用場景等。種子題目務必學會
