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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。

什么是线程上下文切换？

线程在执行过程中会有自己的运行条件和状态（也称上下文），比如程序计数器，栈信息等。当出现如下情况的时候，线程会从占用 CPU 状态中退出。

• 主动让出 CPU，比如调用了 sleep(), wait() 等。
• 时间片用完，因为操作系统要防止一个线程或者进程长时间占用 CPU 导致其他线程或者进程饿死。
• 调用了阻塞类型的系统中断，比如请求 IO，线程被阻塞。
• 被终止或结束运行。

Thread.sleep() 与 Object.wait() 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。

可以直接调用run()方法吗？

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。 但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

死锁

产生死锁的四个必要条件：

• 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
• 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。
• 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。
• 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。

死锁检测：

• 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。

volatile 关键字

如何保证变量的可见性

volatile 关键字其实并非是 Java 语言特有的，在 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。如果我们将一个变量使用 volatile 修饰，这就指示编译器，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。

如何禁止指令重排序？

将变量声明为 volatile ，在对这个变量进行读写操作的时候，会通过插入特定的 内存屏障 的方式来禁止指令重排序。

Java 中，Unsafe 类提供了三个开箱即用的内存屏障相关的方法，屏蔽了操作系统底层的差异：

public native void loadFence();
public native void storeFence();
public native void fullFence();

乐观锁与悲观锁

什么是悲观锁？

悲观锁总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问的时候就会出现问题(比如共享数据被修改)，所以每次在获取资源操作的时候都会上锁，这样其他线程想拿到这个资源就会阻塞直到锁被上一个持有者释放。
共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程。

Java 中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁

高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销。并且，悲观锁还可能会存在死锁问题，影响代码的正常运行。

什么是乐观锁？

乐观锁总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问的时候不会出现问题，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待，只是在提交修改的时候去验证对应的资源（也就是数据）是否被其它线程修改了。

Java 中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类（比如AtomicInteger、LongAdder）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。

高并发的场景下，乐观锁相比悲观锁来说，不存在锁竞争造成线程阻塞，也不会有死锁的问题，在性能上往往会更胜一筹。但是，如果冲突频繁发生（写占比非常多的情况），会频繁失败和重试，这样同样会非常影响性能，导致 CPU 飙升。

理论上来说：

• 悲观锁通常多用于写比较多的情况（多写场景，竞争激烈），这样可以避免频繁失败和重试影响性能，悲观锁的开销是固定的。不过，如果乐观锁解决了频繁失败和重试这个问题的话（比如LongAdder），也是可以考虑使用乐观锁的，要视实际情况而定。

• 乐观锁通常多用于写比较少的情况（多读场景，竞争较少），这样可以避免频繁加锁影响性能。不过，乐观锁主要针对的对象是单个共享变量

如何实现乐观锁

版本号机制

乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现，CAS 算法相对来说更多一些。

版本号机制一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

CAS算法

CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。

CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。

CAS 涉及到三个操作数：

• V：要更新的变量值(Var)
• E：预期值(Expected)
• N：拟写入的新值(New)

当且仅当 V 的值等于 E 时，CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等，说明已经有其它线程更新了 V，则当前线程放弃更新。

Java中的CAS是如何实现的？

Java 中，实现 CAS（Compare-And-Swap, 比较并交换）操作的一个关键类是Unsafe。

Unsafe类位于sun.misc包下，是一个提供低级别、不安全操作的类。

sun.misc包下的Unsafe类提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong方法来实现的对Object、int、long类型的 CAS 操作：

/**
 * 以原子方式更新对象字段的值。
 *
 * @param o        要操作的对象
 * @param offset   对象字段的内存偏移量
 * @param expected 期望的旧值
 * @param x        要设置的新值
 * @return 如果值被成功更新，则返回 true；否则返回 false
 */
boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);

/**
 * 以原子方式更新 int 类型的对象字段的值。
 */
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

/**
 * 以原子方式更新 long 类型的对象字段的值。
 */
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

CAS 算法存在哪些问题？

1. ABA 问题

如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为 CAS 操作的 “ABA”问题。

ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的，其中的 compareAndSet() 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

2. 循环开销时间大

CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。

3. 只能保证一个共享变量的原子操作CAS

操作仅能对单个共享变量有效。当需要操作多个共享变量时，CAS 就显得无能为力。不过，从 JDK 1.5 开始，Java 提供了AtomicReference类，这使得我们能够保证引用对象之间的原子性。通过将多个变量封装在一个对象中，我们可以使用AtomicReference来执行 CAS 操作。除了 AtomicReference 这种方式之外，还可以利用加锁来保证。

synchronized 关键字

synchronized 是 Java 中的一个关键字，主要解决的是多个线程之间访问资源的同步性，可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。

Java 早期版本中，synchronized 属于 重量级锁，效率低下。这是因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的，Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程，都需要操作系统帮忙完成，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高。

在 Java 6 之后， synchronized 引入了大量的优化如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销，这些优化让 synchronized 锁的效率提升了很多。

构造方法可以用 synchronized 修饰么？

构造方法不能使用 synchronized 关键字修饰。不过，可以在构造方法内部使用 synchronized 代码块。

synchronized 底层原理

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

当执行 monitorenter 指令时，线程试图获取锁也就是获取 对象监视器 monitor 的持有权。

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取而代之的是 ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

ReentrantLock

ReentrantLock 实现了 Lock 接口，是一个可重入且独占式的锁，和 synchronized 关键字类似。不过，ReentrantLock 更灵活、更强大，增加了轮询、超时、中断、公平锁和非公平锁等高级功能。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {}

ReentrantLock 里面有一个内部类 Sync，Sync 继承 AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加锁和释放锁的大部分操作实际上都是在 Sync 中实现的。Sync 有公平锁 FairSync 和非公平锁 NonfairSync 两个子类。

ReentrantLock 默认使用非公平锁，也可以通过构造器来显式的指定使用公平锁。

// 传入一个 boolean 值，true 时为公平锁，false 时为非公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平锁和非公平锁有什么区别？

• 公平锁 : 锁被释放之后，先申请的线程先得到锁。性能较差一些，因为公平锁为了保证时间上的绝对顺序，上下文切换更频繁。
• 非公平锁：锁被释放之后，后申请的线程可能会先获取到锁，是随机或者按照其他优先级排序的。性能更好，但可能会导致某些线程永远无法获取到锁。

synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别？

• 两者都是可重入锁
  可重入锁 也叫递归锁，指的是线程可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁，此时这个对象锁还没有释放，当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的，如果是不可重入锁的话，就会造成死锁。

• synchronized 依赖于 JVM 而 ReentrantLock 依赖于 API

• ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能

  • 等待可中断 : ReentrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过 lock.lockInterruptibly() 来实现这个机制。也就是说当前线程在等待获取锁的过程中，如果其他线程中断当前线程「 interrupt() 」，当前线程就会抛出 InterruptedException 异常，可以捕捉该异常进行相应处理。
  • 可实现公平锁 : ReentrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。ReentrantLock默认情况是非公平的，可以通过 ReentrantLock类的ReentrantLock(boolean fair)构造方法来指定是否是公平的。
  • 可实现选择性通知（锁可以绑定多个条件）: synchronized关键字与wait()和notify()/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知机制。ReentrantLock类当然也可以实现，但是需要借助于Condition接口与newCondition()方法。
  • 支持超时 ：ReentrantLock 提供了 tryLock(timeout) 的方法，可以指定等待获取锁的最长等待时间，如果超过了等待时间，就会获取锁失败，不会一直等待。