【Java并发编程面试攻略】：核心问题与答案解析（面试准备必读）

# 1. Java并发编程基础概念

Java并发编程是构建高效多线程应用程序的基础。理解并发编程的基础概念对于开发人员来说至关重要，因为它不仅涉及如何编写能够正确执行的代码，还涉及如何使这些代码在多核处理器上高效运行。

## 1.1 并发与并行的区别
在深入学习并发编程之前，我们首先需要理解并发（Concurrency）和并行（Parallelism）之间的区别。并发是指在某一时刻，只有一部分任务被实际执行，但是看起来好像所有的任务都在同时执行。这通常是通过任务切换（多任务操作系统中的时间分片）来实现的。并行则是指在同一时刻有多个任务真正同时执行，这通常需要多个处理器或处理器核心。

## 1.2 多线程程序的优势
多线程程序可以提供更好的用户体验和系统性能。它允许程序同时执行多个任务，提高了CPU的利用率。多线程还可以提高程序的响应性，因为一个线程可以挂起而其他线程继续工作。此外，它还可以提高系统吞吐量，特别是在多核处理器上。

## 1.3 线程的生命周期
Java中线程的生命周期包括以下五个状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、死亡（Terminated）。线程从创建到结束，会经历这些状态的转换。了解线程状态的转换对于管理线程和设计程序逻辑是非常重要的。

理解这些基础概念是学习Java并发编程的第一步，它为我们后续章节深入探讨并发技术奠定了坚实的基础。

# 2. Java并发编程核心技术

## 2.1 线程的创建和管理

### 2.1.1 创建线程的几种方式

在Java中，线程的创建和管理是并发编程的基础。主要有三种方式可以创建线程：

- 继承Thread类：定义一个Thread的子类，在子类中重写run方法，然后创建子类实例并调用start()方法启动线程。

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 代码逻辑
    }
}

// 使用方式
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();

- 实现Runnable接口：定义一个实现了Runnable接口的类，在该类的run方法中编写业务逻辑代码。然后创建该类的实例，并以此实例作为参数创建Thread类对象，再调用start()方法。

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 代码逻辑
    }
}

// 使用方式
MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(myRunnable);
thread.start();

- 使用Callable和FutureTask：Callable接口与Runnable类似，但它允许有返回值。FutureTask可以用来包装Callable对象，且可以在之后通过get方法获取返回值。

class MyCallable implements Callable<String> {
    public String call() {
        return "返回值";
    }
}

// 使用方式
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
String result = futureTask.get(); // 获取返回值

### 2.1.2 线程状态及生命周期

Java线程在生命周期中会经历以下几种状态：

- 新建（NEW）：线程刚被创建时的状态。
- 可运行（RUNNABLE）：线程在Java虚拟机中执行，可能是运行或等待CPU分配时间片。
- 阻塞（BLOCKED）：线程等待监视器锁的状态。
- 等待（WAITING）：线程在等待某个条件的发生。
- 超时等待（TIMED_WAITING）：线程在等待另一个线程执行一个(可中断的)特定操作。
- 终止（TERMINATED）：线程执行完毕或者出现异常终止。

### 2.1.3 线程优先级与调度

Java线程的调度是通过线程优先级来实现的。每个线程都有一个优先级，优先级高的线程获得更多的执行机会。线程优先级的范围是1到10，Thread类的常量MIN_PRIORITY表示1，MAX_PRIORITY表示10，NORM_PRIORITY表示5。

Thread t = new Thread(...);
t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置优先级为最高

需要注意的是，虽然可以通过设置优先级来影响线程调度，但并不能保证高优先级的线程一定会先执行。在某些Java虚拟机的实现中，优先级可能被忽略。

## 2.2 同步机制详解

### 2.2.1 synchronized关键字的使用与原理

`synchronized`关键字是Java中最基本的同步机制。它可以用来修饰方法，也可以用来修饰代码块。

- 当`synchronized`修饰方法时，整个方法的执行会被锁定，只有当前一个线程执行完该方法后，其他线程才能进入该方法。
- 当`synchronized`修饰代码块时，它锁定的是代码块中共享资源的对象实例或类对象（如果是静态方法或块）。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 代码逻辑
}

public void method() {
    synchronized (this) {
        // 代码逻辑
    }
}

`synchronized`的原理是依赖于Java中的对象监视器Monitor。每个对象都有一个monitor与之关联。当线程进入`synchronized`代码块时，它会先获取monitor的锁，然后才能执行代码块。执行完毕后，会释放锁。

### 2.2.2 volatile关键字的作用与原理

`volatile`关键字是Java提供的一种轻量级的同步机制。它可以用来修饰变量，保证变量的可见性和有序性，但不保证原子性。

volatile boolean flag = false;

当一个变量被声明为`volatile`时，它会告诉编译器和虚拟机该变量是共享变量，在读写操作时不会被优化（如重排序）或者缓存，而是直接操作内存。

### 2.2.3 Lock接口与ReentrantLock的使用

`Lock`接口是Java5引入的一个新的并发锁机制，它提供了更多的同步功能。`ReentrantLock`是`Lock`接口的一个实现，它提供了可重入的互斥锁特性。

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock(); // 确保资源得到释放
}

与`synchronized`相比，`ReentrantLock`提供了更灵活的锁机制。例如，`tryLock()`方法可以在等待一段时间后返回，而不是一直阻塞。还可以响应中断。

## 2.3 并发工具类的应用

### 2.3.1 CountDownLatch和CyclicBarrier的使用场景

`CountDownLatch`和`CyclicBarrier`是两种并发辅助类，它们都有控制线程等待直到达到一定数量后才执行的功能，但使用场景略有不同：

- `CountDownLatch`：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。其计数器是非循环的，一旦计数器的值被减为零，就不能再重置了。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 初始化计数器值为3

// 启动子线程执行任务
new Thread(() -> {
    System.out.println("子线程1完成");
    latch.countDown();
}).start();

new Thread(() -> {
    System.out.println("子线程2完成");
    latch.countDown();
}).start();

new Thread(() -> {
    System.out.println("子线程3完成");
    latch.countDown();
}).start();

// 等待所有子线程执行完毕
latch.await(); // 主线程在此处等待
System.out.println("所有子线程执行完毕，主线程继续执行");

- `CyclicBarrier`：用于等待一组线程到达某个共同的屏障点。与`CountDownLatch`不同的是，`CyclicBarrier`是可循环使用的。当所有线程到达屏障点后，会释放它们，并可重置重用。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
// 启动子线程执行任务
new Thread(() -> {
    System.out.println("子线程1到达屏障点");
    try {
        barrier.await();
        System.out.println("子线程1通过屏障");
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

new Thread(() -> {
    System.out.println("子线程2到达屏障点");
    try {
        barrier.await();
        System.out.println("子线程2通过屏障");
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

new Thread(() -> {
    System.out.println("子线程3到达屏障点");
    try {
        barrier.await();
        System.out.println("子线程3通过屏障");
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

### 2.3.2 Semaphore信号量的原理与应用

`Semaphore`（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，可以用来控制对共享资源的并发访问数量。

Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 初始化信号量为2

new Thread(() -> {
    try {
        semaphore.acquire(); // 获取信号量
        System.out.println("线程1获取信号量，正在访问资源");
        // 模拟耗时操作
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("线程1释放信号量");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        semaphore.release(); // 释放信号量
    }
}).start();

new Thread(() -> {
    try {
        semaphore.acquire();
        System.out.println("线程2获取信号量，正在访问资源");
        // 模拟耗时操作
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("线程2释放信号量");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        semaphore.release();
    }
}).start();

### 2.3.3 ConcurrentHashMap的线程安全机制

`ConcurrentHashMap`是Java并发包中的线程安全的哈希表。它在JDK1.5中被引入，用来替代`Hashtable`和同步的`HashMap`。它通过分段锁（Segmentation）来提供更高的并发度。

ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key1", "value1");
map.get("key1");

`ConcurrentHashMap`的原理是在内部维护了若干个Segment，每个Segment类似于一个单独的HashMap。通过散列的方法将数据分散存储到不同的Segment中，这样在对不同的Segment进行操作时不会相互影响，提高了并发度。

# 3. Java并发编程中的高级主题

## 3.1 线程池的原理和使用

线程池是Java并发编程中用于管理线程执行任务的一种机制，它能够提高资源利用率，减少上下文切换和资源消耗。线程池适用于大量重复执行任务的场景，能够有效控制并发数，避免系统资源耗尽。

### 3.1.1 线程池的核心参数与配置

一个典型的线程池由以下几个核心参数组成：

- **corePoolSize**: 核心线程数，线程池中始终保持的最小线程数。
- **maximumPoolSize**: 最大线程数，线程池中允许的最大线程数。
- **keepA