计算机基础

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线程 ​

什么是线程和进程? ​

何为进程? ​

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，因此进程是动态的。

系统运行一个程序即是一个进程从创建，运行到消亡的过程。

何为线程? ​

线程与进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位。

一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。

与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间做切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。

Java 线程和操作系统的线程有啥区别？ ​

  • 用户线程：由用户空间程序管理和调度的线程，运行在用户空间，创建和切换成本低，但不可以利用多核。
  • 内核线程：由操作系统内核管理和调度的线程，运行在内核空间，创建和切换成本高，可以利用多核。

一句话概括 Java 线程和操作系统线程的关系：现在的 Java 线程的本质其实就是操作系统的线程。

Java 线程基本上都是采用的是一对一的线程模型，也就是一个 Java 线程对应一个系统内核线程。

请简要描述线程与进程的关系,区别及优缺点？ ​

  • 线程是进程划分成的更小的运行单位。
  • 线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。
  • 线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。
  • 线程的程序计数器**、虚拟机栈和**本地方法栈是线程私有的呢，为什么堆和方法区是线程共享的。

程序计数器为什么是私有的? ​

程序计数器主要有下面两个作用：

  1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
  2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了（如果共享，导致多线程运行错乱）。
  3. 如果执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。

虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的? ​

  • 虚拟机栈： 每个 Java 方法在执行之前会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
  • 本地方法栈： 和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。
  • 两个都是不互相干涉的

一句话简单了解堆和方法区 ​

堆和方法区是所有线程共享的资源，其中堆是进程中最大的一块内存，主要用于存放新创建的对象 (几乎所有对象都在这里分配内存)，方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

如何创建线程？ ​

一般来说，创建线程有很多种方式，例如继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口、使用线程池、使用CompletableFuture类等等。

不过，这些方式其实并没有真正创建出线程。准确点来说，这些都属于是在 Java 代码中使用多线程的方法。

严格来说，Java 就只有一种方式可以创建线程，那就是通过new Thread().start()创建。不管是哪种方式，最终还是依赖于new Thread().start()。

说说线程的生命周期和状态? ​

Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态：

  • NEW: 初始状态，线程被创建出来但没有被调用 start() 。
  • RUNNABLE: 运行状态，线程被调用了 start()等待运行的状态。
  • BLOCKED：阻塞状态，需要等待锁释放。
  • WAITING：等待状态，表示该线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
  • TIME_WAITING：超时等待状态，可以在指定的时间后自行返回而不是像 WAITING 那样一直等待。
  • TERMINATED：终止状态，表示该线程已经运行完毕。

线程在生命周期中并不是固定处于某一个状态而是随着代码的执行在不同状态之间切换。

Java 线程状态变迁图

由上图可以看出：线程创建之后它将处于 NEW（新建） 状态，调用 start() 方法后开始运行，线程这时候处于 READY（可运行） 状态。可运行状态的线程获得了 CPU 时间片（timeslice）后就处于 RUNNING（运行） 状态。

Java 系统一般将这两个状态统称为 RUNNABLE（运行中） 状态 （因为Runnable和ready态之间切换时间过短

  • 当线程执行 wait()方法之后，线程进入 WAITING（等待） 状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态。
  • TIMED_WAITING(超时等待) 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法可以将线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间结束后，线程将会返回到 RUNNABLE 状态。
  • 当线程进入 synchronized 方法/块或者调用 wait 后（被 notify）重新进入 synchronized 方法/块，但是锁被其它线程占有，这个时候线程就会进入 BLOCKED（阻塞） 状态。
  • 线程在执行完了 run()方法之后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。

什么是线程上下文切换? ​

线程切换意味着需要保存当前线程的上下文（程序计数器和本地虚栈），留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。

上下文切换是现代操作系统的基本功能，因其每次需要保存信息恢复信息，这将会占用 CPU，内存等系统资源进行处理，也就意味着效率会有一定损耗，如果频繁切换就会造成整体效率低下。

Thread#sleep() 方法和 Object#wait() 方法对比 ​

共同点：两者都可以暂停线程的执行。

区别：

  • sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
  • wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep()通常被用于暂停执行。
  • wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify()或者 notifyAll() 方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒，或者也可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。
  • sleep() 是 Thread 类的静态本地方法，wait() 则是 Object 类的本地方法。为什么这样设计呢？下一个问题就会聊到。

为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中？ ​

wait() 是让获得对象锁的线程实现等待，会自动释放当前线程占有的对象锁。每个对象（Object）都拥有对象锁，既然要释放当前线程占有的对象锁并让其进入 WAITING 状态，自然是要操作对应的对象（Object）而非当前的线程（Thread）。

类似的问题：为什么 sleep() 方法定义在 Thread 中？

因为 sleep() 是让当前线程暂停执行，不涉及到对象类，也不需要获得对象锁。

可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗？ ​

**调用 start() 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。**当成一个 main 线程下的普通方法去执行

多线程 ​

并发与并行的区别 ​

  • 并发：两个及两个以上的作业在同一 时间段 内执行。
  • 并行：两个及两个以上的作业在同一 时刻 执行。

最关键的点是：是否是 同时 执行。

同步和异步的区别 ​

  • 同步：发出一个调用之后，在没有得到结果之前， 该调用就不可以返回，一直等待。
  • 异步：调用在发出之后，不用等待返回结果，该调用直接返回。

为什么要使用多线程? ​

  • 单核时代：在单核时代多线程主要是为了提高单进程利用 CPU 和 IO 系统的效率。
  • 多核时代: 多核时代多线程主要是为了提高进程利用多核 CPU 的能力。。

使用多线程可能带来什么问题? ​

并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率进而提高程序的运行速度，但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的，而且并发编程可能会遇到很多问题，比如：内存泄漏、死锁、线程不安全等等。

如何理解线程安全和不安全？ ​

线程安全和不安全是在多线程环境下对于同一份数据的访问是否能够保证其正确性和一致性的描述。

  • 线程安全指的是在多线程环境下，对于同一份数据，不管有多少个线程同时访问，都能保证这份数据的正确性和一致性。
  • 线程不安全则表示在多线程环境下，对于同一份数据，多个线程同时访问时可能会导致数据混乱、错误或者丢失。

单核 CPU 上运行多个线程效率一定会高吗？ ​

  • 对于单核 CPU 来说，如果任务是 CPU 密集型的，那么开很多线程会影响效率；（频繁线程上下文切换效率不高）
  • 如果任务是 IO 密集型的，那么开很多线程会提高效率。当然，这里的“很多”也要适度，不能超过系统能够承受的上限。
  • 注意：仅针对与单核CPU

死锁 ​

什么是线程死锁? ​

线程死锁描述的是这样一种情况：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

产生死锁的四个必要条件：

  1. 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
  2. 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
  3. 不剥夺条件:线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。
  4. 循环等待条件:若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何检测死锁？ ​

  • 使用jmap、jstack等命令查看 JVM 线程栈和堆内存的情况。如果有死锁，jstack 的输出中通常会有 Found one Java-level deadlock:的字样，后面会跟着死锁相关的线程信息。另外，实际项目中还可以搭配使用top、df、free等命令查看操作系统的基本情况，出现死锁可能会导致 CPU、内存等资源消耗过高。
  • 采用 VisualVM、JConsole 等工具进行排查。

这里以 JConsole 工具为例进行演示。

首先，我们要找到 JDK 的 bin 目录，找到 jconsole 并双击打开。

jconsole

对于 MAC 用户来说，可以通过 /usr/libexec/java_home -V查看 JDK 安装目录，找到后通过 open . + 文件夹地址打开即可。例如，我本地的某个 JDK 的路径是：

bash
 open . /Users/guide/Library/Java/JavaVirtualMachines/corretto-1.8.0_252/Contents/Home

打开 jconsole 后，连接对应的程序，然后进入线程界面选择检测死锁即可！

jconsole 检测死锁

jconsole 检测到死锁

如何预防和避免线程死锁? ​

如何预防死锁？ 破坏死锁的产生的必要条件即可：

  1. 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
  2. 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
  3. 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序（P1、P2、P3……Pn）来为每个线程分配所需资源，直到满足每个线程对资源的最大需求，使每个线程都可顺利完成。称 <P1、P2、P3.....Pn> 序列为安全序列。

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