java——面试题 进阶（一）

目录

• synchronized和ReentrantLock有什么区别呢？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展
• synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展
• 一个线程两次调用start()方法会出现什么情况？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展
• 什么情况下Java程序会产生死锁？如何定位、修复？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展

synchronized和ReentrantLock有什么区别呢？

典型回答

synchronized 是 Java 内建的同步机制，所以也有人称其为 Intrinsic Locking，它提供了互斥的语义和可见性，当一个线程已经获取当前锁时，其他试图获取的线程只能等待或者阻塞在那里。

在 Java 5 以前，synchronized 是仅有的同步手段，在代码中， synchronized 可以用来修饰方法，也可以使用在特定的代码块儿上，本质上 synchronized 方法等同于把方法全部语句用 synchronized 块包起来。

ReentrantLock，通常翻译为再入锁，是 Java 5 提供的锁实现，它的语义和 synchronized 基本相同。再入锁通过代码直接调用 lock() 方法获取，代码书写也更加灵活。与此同时，ReentrantLock 提供了很多实用的方法，能够实现很多 synchronized 无法做到的细节控制，比如可以控制 fairness，也就是公平性，或者利用定义条件等。但是，编码中也需要注意，必须要明确调用 unlock() 方法释放，不然就会一直持有该锁。

synchronized 和 ReentrantLock 的性能不能一概而论，早期版本 synchronized 在很多场景下性能相差较大，在后续版本进行了较多改进，在低竞争场景中表现可能优于 ReentrantLock。

考点分析

题目考察并发编程的常见基础题，下面给出的典型回答算是一个相对全面的总结。

对于并发编程，不同公司或者面试官面试风格也不一样，有个别大厂喜欢一直追问你相关机制的扩展或者底层，有的喜欢从实用角度出发，所以你在准备并发编程方面需要一定的耐心。

锁作为并发的基础工具之一，至少需要掌握：

• 理解什么是线程安全。
• synchronized、ReentrantLock 等机制的基本使用与案例。

更近一步，你还需要：

• 掌握 synchronized、ReentrantLock 底层实现；理解锁膨胀、降级；理解偏斜锁、自旋锁、轻量级锁、重量级锁等概念。
• 掌握并发包中 java.util.concurrent.lock 各种不同实现和案例分析。

知识扩展

首先，我们需要理解什么是线程安全。

建议阅读 Brain Goetz 等专家撰写的《Java 并发编程实战》（Java Concurrency in Practice），虽然可能稍显学究，但不可否认这是一本非常系统和全面的 Java 并发编程书籍。按照其中的定义，线程安全是一个多线程环境下正确性的概念，也就是保证多线程环境下共享的、可修改的状态的正确性，这里的状态反映在程序中其实可以看作是数据。

换个角度来看，如果状态不是共享的，或者不是可修改的，也就不存在线程安全问题，进而可以推理出保证线程安全的两个办法：

• 封装：通过封装，我们可以将对象内部状态隐藏、保护起来。
• 不可变：Java 语言目前还没有真正意义上的原生不可变，但是未来也许会引入。

线程安全需要保证几个基本特性：

• 原子性，简单说就是相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。
• 可见性，是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile 就是负责保证可见性的。
• 有序性，是保证线程内串行语义，避免指令重排等。

可能有点晦涩，那么我们看看下面的代码段，分析一下原子性需求体现在哪里。这个例子通过取两次数值然后进行对比，来模拟两次对共享状态的操作。

你可以编译并执行，可以看到，仅仅是两个线程的低度并发，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情况。这是因为，在两次取值的过程中，其他线程可能已经修改了 sharedState。

public class ThreadSafeSample {
	public int sharedState;
	public void nonSafeAction() {
    	while (sharedState < 100000) {
        	int former = sharedState++;
        	int latter = sharedState;
        	if (former != latter - 1) {
            	System.out.printf("Observed data race, former is " +
                    	former + ", " + "latter is " + latter);
        	}
    	}
	}
 
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	ThreadSafeSample sample = new ThreadSafeSample();
    	Thread threadA = new Thread(){
        	public void run(){
            	sample.nonSafeAction();
        	}
    	};
    	Thread threadB = new Thread(){
        	public void run(){
            	sample.nonSafeAction();
        	}
 	   };
    	threadA.start();
    	threadB.start();
    	threadA.join();
    	threadB.join();
	}
}

下面是在我的电脑上的运行结果：

C:>c:jdk-9injava ThreadSafeSample
Observed data race, former is 13097, latter is 13099

将两次赋值过程用 synchronized 保护起来，使用 this 作为互斥单元，就可以避免别的线程并发的去修改 sharedState。

synchronized (this) {
	int former = sharedState ++;
	int latter = sharedState;
	// …
}

如果用 javap 反编译，可以看到类似片段，利用 monjavaitorenter/monitorexit 对实现了同步的语义：

11: astore_1
12: monitorenter
13: aload_0
14: dup
15: getfield  	#2              	// Field sharedState:I
18: dup_x1
…
56: monitorexit

代码中使用 synchronized 非常便利，如果用来修饰静态方法，其等同于利用下面代码将方法体囊括进来：

synchronized (ClassName.class) {}

再来看看 ReentrantLock。你可能好奇什么是再入？它是表示当一个线程试图获取一个它已经获取的锁时，这个获取动作就自动成功，这是对锁获取粒度的一个概念，也就是锁的持有是以线程为单位而不是基于调用次数。Java 锁实现强调再入性是为了和 pthread 的行为进行区分。

再入锁可以设置公平性（fairness），我们可在创建再入锁时选择是否是公平的。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

这里所谓的公平性是指在竞争场景中，当公平性为真时，会倾向于将锁赋予等待时间最久的线程。公平性是减少线程“饥饿”（个别线程长期等待锁，但始终无法获取）情况发生的一个办法。

如果使用 synchronized，我们根本无法进行公平性的选择，其永远是不公平的，这也是主流操作系统线程调度的选择。通用场景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java 默认的调度策略很少会导致 “饥饿”发生。与此同时，若要保证公平性则会引入额外开销，自然会导致一定的吞吐量下降。所以，我建议只有当你的程序确实有公平性需要的时候，才有必要指定它。

我们再从日常编码的角度学习下再入锁。为保证锁释放，每一个 lock() 动作，我建议都立即对应一个 try-catch-finally，典型的代码结构如下，这是个良好的习惯。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);// 这里是演示创建公平锁，一般情况不需要。
fairLock.lock();
try {
	// do something
} finally {
 	fairLock.unlock();
}

ReentrantLock 相比 synchronized，因为可以像普通对象一样使用，所以可以利用其提供的各种便利方法，进行精细的同步操作，甚至是实现 synchronized 难以表达的用例，如：

• 带超时的获取锁尝试。
• 可以判断是否有线程，或者某个特定线程，在排队等待获取锁。
• 可以响应中断请求。
• …

这里特别想强调条件变量（java.util.concurrent.Condition），如果说 ReentrantLock 是 synchronized 的替代选择，Condition 则是将 wait、notify、notifyAll 等操作转化为相应的对象，将复杂而晦涩的同步操作转变为直观可控的对象行为。

条件变量最为典型的应用场景就是标准类库中的 ArrayBlockingQueue 等。

我们参考下面的源码，首先，通过再入锁获取条件变量：

/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
 
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
 
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
	if (capacity <= 0)
    	throw new IllegalArgumentException();
	this.items = new Object[capacity];
	lock = new ReentrantLock(fair);
	notEmpty = lock.newCondition();
	notFull =  lock.newCondition();
}

两个条件变量是从同一再入锁创建出来，然后使用在特定操作中，如下面的 take 方法，判断和等待条件满足：

public E take() throws InterruptedException {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lockInterruptibly();
	try {
    	while (count == 0)
        	notEmpty.await();
    	return dequeue();
	} finally {
    	lock.unlock();
	}
}

当队列为空时，试图 take 的线程的正确行为应该是等待入队发生，而不是直接返回，这是 BlockingQueue 的语义，使用条件 notEmpty 就可以优雅地实现这一逻辑。

那么，怎么保证入队触发后续 take 操作呢？请看 enqueue 实现：

private void enqueue(E e) {
	// assert lock.isHeldByCurrentThread();
	// assert lock.getHoldCount() == 1;
	// assert items[putIndex] == null;
	final Object[] items = this.items;
	items[putIndex] = e;
	if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
	count++;
	notEmpty.signal(); // 通知等待的线程，非空条件已经满足
}

通过 signal/await 的组合，完成了条件判断和通知等待线程，非常顺畅就完成了状态流转。注意，signal 和 await 成对调用非常重要，不然假设只有 await 动作，线程会一直等待直到被打断（interrupt）。

从性能角度，synchronized 早期的实现比较低效，对比 ReentrantLock，大多数场景性能都相差较大。但是在 Java 6 中对其进行了非常多的改进，可以参考性能对比，在高竞争情况下，ReentrantLock 仍然有一定优势。在大多数情况下，无需纠结于性能，还是考虑代码书写结构的便利性、可维护性等。

synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

典型回答

synchronized 代码块是由一对儿 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。

在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

现代的（Oracle）JDK 中，JVM 对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。所谓锁的升级、降级，就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。

当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

注意到有的观点认为 Java 不会进行锁降级。实际上，锁降级确实是会发生的，当 JVM 进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的 Monitor，然后试图进行降级。

考点分析

今天的问题主要是考察你对 Java 内置锁实现的掌握，也是并发的经典题目。

能够基础性地理解这些概念和机制，其实对于大多数并发编程已经足够了，毕竟大部分工程师未必会进行更底层、更基础的研发，很多时候解决的是知道与否，真正的提高还要靠实践踩坑。

后面会进一步分析：

• 从源码层面，稍微展开一些 synchronized 的底层实现。如果你对 Java 底层源码有兴趣，但还没有找到入手点，这里可以成为一个切入点。
• 理解并发包中 java.util.concurrent.lock 提供的其他锁实现，毕竟 Java 可不是只有 ReentrantLock 一种显式的锁类型，会结合代码分析其使用。

知识扩展

synchronized 是 JVM 内部的 Intrinsic Lock，所以偏斜锁、轻量级锁、重量级锁的代码实现，并不在核心类库部分，而是在 JVM 的代码中。

Java 代码运行可能是解释模式也可能是编译模式，所以对应的同步逻辑实现，也会分散在不同模块下，比如，解释器版本就是：src/hotspot/share/interpreter/interpreterRuntime.cpp

为了简化便于理解，我这里会专注于通用的基类实现：src/hotspot/share/runtime/

另外请注意，链接指向的是最新 JDK 代码库，所以可能某些实现与历史版本有所不同。

首先，synchronized 的行为是 JVM runtime 的一部分，所以我们需要先找到 Runtime 相关的功能实现。通过在代码中查询类似“monitor_enter”或“Monitor Enter”，很直观的就可以定位到：

• sharedRuntime.cpp/hpp，它是解释器和编译器运行时的基类。
• synchronizer.cpp/hpp，JVM 同步相关的各种基础逻辑。

在 sharedRuntime.cpp 中，下面代码体现了 synchronized 的主要逻辑。

Handle h_obj(THREAD, obj);
  if (UseBiasedLocking) {
    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, lock, true, CHECK);
  } else {
    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, lock, CHECK);
  }

其实现可以简单进行分解：

• UseBiasedLocking 是一个检查，因为，在 JVM 启动时，我们可以指定是否开启偏斜锁。

偏斜锁并不适合所有应用场景，撤销操作（revoke）是比较重的行为，只有当存在较多不会真正竞争的 synchronized 块儿时，才能体现出明显改善。实践中对于偏斜锁的一直是有争议的，有人甚至认为，当你需要大量使用并发类库时，往往意味着你不需要偏斜锁。从具体选择来看，还是建议需要在实践中进行测试，根据结果再决定是否使用。

还有一方面是，偏斜锁会延缓 JIT 预热的进程，所以很多性能测试中会显式地关闭偏斜锁，命令如下：

-XX:-UseBiasedLocking

• fast_enter 是我们熟悉的完整锁获取路径，slow_enter 则是绕过偏斜锁，直接进入轻量级锁获取逻辑。

那么 fast_enter 是如何实现的呢？同样是通过在代码库搜索，我们可以定位到 synchronizer.cpp。 类似 fast_enter 这种实现，解释器或者动态编译器，都是拷贝这段基础逻辑，所以如果我们修改这部分逻辑，要保证一致性。这部分代码是非常敏感的，微小的问题都可能导致死锁或者正确性问题。

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock,
                                	bool attempt_rebias, TRAPS) {
  if (UseBiasedLocking) {
    if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
      BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
      if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
        return;
      }
	} else {
      assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
      BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
	}
    assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
  }
 
  slow_enter(obj, lock, THREAD);
}
 

来分析下这段逻辑实现：

• biasedLocking定义了偏斜锁相关操作，revoke_and_rebias 是获取偏斜锁的入口方法，revoke_at_safepoint 则定义了当检测到安全点时的处理逻辑。
• 如果获取偏斜锁失败，则进入 slow_enter。
• 这个方法里面同样检查是否开启了偏斜锁，但是从代码路径来看，其实如果关闭了偏斜锁，是不会进入这个方法的，所以算是个额外的保障性检查吧。

另外，如果你仔细查看synchronizer.cpp里，会发现不仅仅是 synchronized 的逻辑，包括从本地代码，也就是 JNI，触发的 Monitor 动作，全都可以在里面找到（jni_enter/jni_exit）。

关于biasedLocking的更多细节就不展开了，明白它是通过 CAS 设置 Mark Word 就完全够用了，对象头中 Mark Word 的结构，可以参考下图：

顺着锁升降级的过程分析下去，偏斜锁到轻量级锁的过程是如何实现的呢？

我们来看看 slow_enter 到底做了什么。

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
  markOop mark = obj->mark();
 if (mark->is_neutral()) {
       // 将目前的 Mark Word 复制到 Displaced Header 上
	lock->set_displaced_header(mark);
	// 利用 CAS 设置对象的 Mark Word
    if (mark == obj()->cas_set_mark((markOop) lock, mark)) {
      TEVENT(slow_enter: release stacklock);
      return;
    }
    // 检查存在竞争
  } else if (mark->has_locker() &&
             THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
	// 清除
    lock->set_displaced_header(NULL);
    return;
  }
 
  // 重置 Displaced Header
  lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD,
                          	obj(),
                              inflate_cause_monitor_enter)->enter(THREAD);
}
 

请结合在代码中添加的注释，来理解如何从试图获取轻量级锁，逐步进入锁膨胀的过程。你可以发现这个处理逻辑，和我在这一讲最初介绍的过程是十分吻合的。

• 设置 Displaced Header，然后利用 cas_set_mark 设置对象 Mark Word，如果成功就成功获取轻量级锁。
• 否则 Displaced Header，然后进入锁膨胀阶段，具体实现在 inflate 方法中。

今天就不介绍膨胀的细节了，这里提供了源代码分析的思路和样例，考虑到应用实践，再进一步增加源代码解读意义不大，有兴趣的同学可以参考我提供的synchronizer.cpp链接，例如：

• deflate_idle_monitors是分析锁降级逻辑的入口，这部分行为还在进行持续改进，因为其逻辑是在安全点内运行，处理不当可能拖长 JVM 停顿（STW，stop-the-world）的时间。
• fast_exit 或者 slow_exit 是对应的锁释放逻辑。

前面分析了 synchronized 的底层实现，理解起来有一定难度，下面我们来看一些相对轻松的内容。 Java 核心类库中还有其他一些特别的锁类型，具体请参考下面的图。

你可能注意到了，这些锁竟然不都是实现了 Lock 接口，ReadWriteLock 是一个单独的接口，它通常是代表了一对儿锁，分别对应只读和写操作，标准类库中提供了再入版本的读写锁实现（ReentrantReadWriteLock），对应的语义和 ReentrantLock 比较相似。

StampedLock 竟然也是个单独的类型，从类图结构可以看出它是不支持再入性的语义的，也就是它不是以持有锁的线程为单位。

为什么我们需要读写锁（ReadWriteLock）等其他锁呢？

这是因为，虽然 ReentrantLock 和 synchronized 简单实用，但是行为上有一定局限性，通俗点说就是“太霸道”，要么不占，要么独占。实际应用场景中，有的时候不需要大量竞争的写操作，而是以并发读取为主，如何进一步优化并发操作的粒度呢？

Java 并发包提供的读写锁等扩展了锁的能力，它所基于的原理是多个读操作是不需要互斥的，因为读操作并不会更改数据，所以不存在互相干扰。而写操作则会导致并发一致性的问题，所以写线程之间、读写线程之间，需要精心设计的互斥逻辑。

下面是一个基于读写锁实现的数据结构，当数据量较大，并发读多、并发写少的时候，能够比纯同步版本凸显出优势。

public class RWSample {
	private final Map<String, String> m = new TreeMap<>();
	private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
	private final Lock r = rwl.readLock();
	private final Lock w = rwl.writeLock();
	public String get(String key) {
    	r.lock();
    	System.out.println(" 读锁锁定！");
    	try {
        	return m.get(key);
    	} finally {
        	r.unlock();
    	}
	}
 
	public String put(String key, String entry) {
    	w.lock();
	System.out.println(" 写锁锁定！");
	    	try {
	        	return m.put(key, entry);
	    	} finally {
	        	w.unlock();
	    	}
		}
	// …
	}

在运行过程中，如果读锁试图锁定时，写锁是被某个线程持有，读锁将无法获得，而只好等待对方操作结束，这样就可以自动保证不会读取到有争议的数据。

读写锁看起来比 synchronized 的粒度似乎细一些，但在实际应用中，其表现也并不尽如人意，主要还是因为相对比较大的开销。

所以，JDK 在后期引入了 StampedLock，在提供类似读写锁的同时，还支持优化读模式。优化读基于假设，大多数情况下读操作并不会和写操作冲突，其逻辑是先试着读，然后通过 validate 方法确认是否进入了写模式，如果没有进入，就成功避免了开销；如果进入，则尝试获取读锁。请参考下面的样例代码。

public class StampedSample {
	private final StampedLock sl = new StampedLock();
 
	void mutate() {
    	long stamp = sl.writeLock();
    	try {
        	write();
    	} finally {
        	sl.unlockWrite(stamp);
    	}
	}
 
	Data access() {
    	long stamp = sl.tryOptimisticRead();
    	Data data = read();
    	if (!sl.validate(stamp)) {
        	stamp = sl.readLock();
        	try {
            	data = read();
        	} finally {
            	sl.unlockRead(stamp);
        	}
    	}
    	return data;
	}
	// …
}
 

注意，这里的 writeLock 和 unLockWrite 一定要保证成对调用。

你可能很好奇这些显式锁的实现机制，Java 并发包内的各种同步工具，不仅仅是各种 Lock，其他的如Semaphore、CountDownLatch，甚至是早期的FutureTask等，都是基于一种AQS框架。

一个线程两次调用start()方法会出现什么情况？

典型回答

Java 的线程是不允许启动两次的，第二次调用必然会抛出 IllegalThreadStateException，这是一种运行时异常，多次调用 start 被认为是编程错误。

关于线程生命周期的不同状态，在 Java 5 以后，线程状态被明确定义在其公共内部枚举类型 java.lang.Thread.State 中，分别是：

• 新建（NEW），表示线程被创建出来还没真正启动的状态，可以认为它是个 Java 内部状态。
• 就绪（RUNNABLE），表示该线程已经在 JVM 中执行，当然由于执行需要计算资源，它可能是正在运行，也可能还在等待系统分配给它 CPU 片段，在就绪队列里面排队。
• 在其他一些分析中，会额外区分一种状态 RUNNING，但是从 Java API 的角度，并不能表示出来。
• 阻塞（BLOCKED），阻塞表示线程在等待 Monitor lock。比如，线程试图通过 synchronized 去获取某个锁，但是其他线程已经独占了，那么当前线程就会处于阻塞状态。
• 等待（WAITING），表示正在等待其他线程采取某些操作。一个常见的场景是类似生产者消费者模式，发现任务条件尚未满足，就让当前消费者线程等待（wait），另外的生产者线程去准备任务数据，然后通过类似 notify 等动作，通知消费线程可以继续工作了。Thread.join() 也会令线程进入等待状态。
• 计时等待（TIMED_WAIT），其进入条件和等待状态类似，但是调用的是存在超时条件的方法，比如 wait 或 join 等方法的指定超时版本，如下面示例：

public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

• 终止（TERMINATED），不管是意外退出还是正常执行结束，线程已经完成使命，终止运行，也有人把这个状态叫作死亡。

在第二次调用 start() 方法的时候，线程可能处于终止或者其他（非 NEW）状态，但是不论如何，都是不可以再次启动的。

考点分析

这个问题可以算是个常见的面试热身题目，前面的给出的典型回答，算是对基本状态和简单流转的一个介绍，如果觉得还不够直观，下面分析会对比一个状态图进行介绍。总的来说，理解线程对于我们日常开发或者诊断分析，都是不可或缺的基础。

面试官可能会以此为契机，从各种不同角度考察你对线程的掌握：

• 相对理论一些的面试官可以会问你线程到底是什么以及 Java 底层实现方式。
• 线程状态的切换，以及和锁等并发工具类的互动。
• 线程编程时容易踩的坑与建议等。

可以看出，仅仅是一个线程，就有非常多的内容需要掌握。我们选择重点内容，开始进入详细分析。

知识扩展

首先，我们来整体看一下线程是什么？

从操作系统的角度，可以简单认为，线程是系统调度的最小单元，一个进程可以包含多个线程，作为任务的真正运作者，有自己的栈（Stack）、寄存器（Register）、本地存储（Thread Local）等，但是会和进程内其他线程共享文件描述符、虚拟地址空间等。

在具体实现中，线程还分为内核线程、用户线程，Java 的线程实现其实是与虚拟机相关的。对于我们最熟悉的 Sun/Oracle JDK，其线程也经历了一个演进过程，基本上在 Java 1.2 之后，JDK 已经抛弃了所谓的Green Thread，也就是用户调度的线程，现在的模型是一对一映射到操作系统内核线程。

如果我们来看 Thread 的源码，你会发现其基本操作逻辑大都是以 JNI 形式调用的本地代码。

private native void start0();
private native void setPriority0(int newPriority);
private native void interrupt0();

这种实现有利有弊，总体上来说，Java 语言得益于精细粒度的线程和相关的并发操作，其构建高扩展性的大型应用的能力已经毋庸置疑。但是，其复杂性也提高了并发编程的门槛，近几年的 Go 语言等提供了协程（coroutine），大大提高了构建并发应用的效率。于此同时，Java 也在Loom项目中，孕育新的类似轻量级用户线程（Fiber）等机制，也许在不久的将来就可以在新版 JDK 中使用到它。

下面，来分析下线程的基本操作。如何创建线程想必你已经非常熟悉了，请看下面的例子：

Runnable task = () -> {System.out.println("Hello World!");};
Thread myThread = new Thread(task);
myThread.start();
myThread.join();

我们可以直接扩展 Thread 类，然后实例化。但在本例中，我选取了另外一种方式，就是实现一个 Runnable，将代码逻放在 Runnable 中，然后构建 Thread 并启动（start），等待结束（join）。

Runnable 的好处是，不会受 Java 不支持类多继承的限制，重用代码实现，当我们需要重复执行相应逻辑时优点明显。而且，也能更好的与现代 Java 并发库中的 Executor 之类框架结合使用，比如将上面 start 和 join 的逻辑完全写成下面的结构：

Future future = Executors.newFixedThreadPool(1)
						 .submit(task)
						 .get();

这样我们就不用操心线程的创建和管理，也能利用 Future 等机制更好地处理执行结果。线程生命周期通常和业务之间没有本质联系，混淆实现需求和业务需求，就会降低开发的效率。

从线程生命周期的状态开始展开，那么在 Java 编程中，有哪些因素可能影响线程的状态呢？主要有：

• 线程自身的方法，除了 start，还有多个 join 方法，等待线程结束；yield 是告诉调度器，主动让出 CPU；另外，就是一些已经被标记为过时的 resume、stop、suspend 之类，据了解，在 JDK 最新版本中，destory/stop 方法将被直接移除。
• 基类 Object 提供了一些基础的 wait/notify/notifyAll 方法。如果我们持有某个对象的 Monitor 锁，调用 wait 会让当前线程处于等待状态，直到其他线程 notify 或者 notifyAll。所以，本质上是提供了 Monitor 的获取和释放的能力，是基本的线程间通信方式。
• 并发类库中的工具，比如 CountDownLatch.await() 会让当前线程进入等待状态，直到 latch 被基数为 0，这可以看作是线程间通信的 Signal。

这里画了一个状态和方法之间的对应图：

Thread 和 Object 的方法，听起来简单，但是实际应用中被证明非常晦涩、易错，这也是为什么 Java 后来又引入了并发包。总的来说，有了并发包，大多数情况下，我们已经不再需要去调用 wait/notify 之类的方法了。

前面谈了不少理论，下面谈谈线程 API 使用，会侧重于平时工作学习中，容易被忽略的一些方面。

先来看看守护线程（Daemon Thread），有的时候应用中需要一个长期驻留的服务程序，但是不希望其影响应用退出，就可以将其设置为守护线程，如果 JVM 发现只有守护线程存在时，将结束进程，具体可以参考下面代码段。注意，必须在线程启动之前设置。

Thread daemonThread = new Thread();
daemonThread.setDaemon(true);
daemonThread.start();

再来看看Spurious wakeup。尤其是在多核 CPU 的系统中，线程等待存在一种可能，就是在没有任何线程广播或者发出信号的情况下，线程就被唤醒，如果处理不当就可能出现诡异的并发问题，所以我们在等待条件过程中，建议采用下面模式来书写。

// 推荐
while ( isCondition()) {
waitForAConfition(...);
}
 
// 不推荐，可能引入 bug
if ( isCondition()) {
waitForAConfition(...);
}

Thread.onSpinWait()，这是 Java 9 中引入的特性。“自旋锁”（spin-wait, busy-waiting），也可以认为其不算是一种锁，而是一种针对短期等待的性能优化技术。“onSpinWait()”没有任何行为上的保证，而是对 JVM 的一个暗示，JVM 可能会利用 CPU 的 pause 指令进一步提高性能，性能特别敏感的应用可以关注。

再有就是慎用ThreadLocal，这是 Java 提供的一种保存线程私有信息的机制，因为其在整个线程生命周期内有效，所以可以方便地在一个线程关联的不同业务模块之间传递信息，比如事务 ID、Cookie 等上下文相关信息。

它的实现结构，可以参考源码，数据存储于线程相关的 ThreadLocalMap，其内部条目是弱引用，如下面片段。

static class ThreadLocalMap {
	static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    	/** The value associated with this ThreadLocal. */
    	Object value;
    	Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        	super(k);
    	value = v;
    	}
      }
   // …
}

当 Key 为 null 时，该条目就变成“废弃条目”，相关“value”的回收，往往依赖于几个关键点，即 set、remove、rehash。

下面是 set 的示例，进行了精简和注释：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
	Entry[] tab = table;
	int len = tab.length;
	int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
 
	for (Entry e = tab[i];; …) {
    	//…
    	if (k == null) {
// 替换废弃条目
        	replaceStaleEntry(key, value, i);
        	return;
    	}
    }
 
	tab[i] = new Entry(key, value);
	int sz = ++size;
//  扫描并清理发现的废弃条目，并检查容量是否超限
	if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
    	rehash();// 清理废弃条目，如果仍然超限，则扩容（加倍）
}  

具体的清理逻辑是实现在 cleanSomeSlots 和 expungeStaleEntry 之中，如果你有兴趣可以自行阅读。

通常弱引用都会和引用队列配合清理机制使用，但是 ThreadLocal 是个例外，它并没有这么做。

这意味着，废弃项目的回收依赖于显式地触发，否则就要等待线程结束，进而回收相应 ThreadLocalMap！这就是很多 OOM 的来源，所以通常都会建议，应用一定要自己负责 remove，并且不要和线程池配合，因为 worker 线程往往是不会退出的。

什么情况下Java程序会产生死锁？如何定位、修复？

典型回答

死锁是一种特定的程序状态，在实体之间，由于循环依赖导致彼此一直处于等待之中，没有任何个体可以继续前进。死锁不仅仅是在线程之间会发生，存在资源独占的进程之间同样也可能出现死锁。通常来说，我们大多是聚焦在多线程场景中的死锁，指两个或多个线程之间，由于互相持有对方需要的锁，而永久处于阻塞的状态。

你可以利用下面的示例图理解基本的死锁问题：

定位死锁最常见的方式就是利用 jstack 等工具获取线程栈，然后定位互相之间的依赖关系，进而找到死锁。如果是比较明显的死锁，往往 jstack 等就能直接定位，类似 JConsole 甚至可以在图形界面进行有限的死锁检测。

如果程序运行时发生了死锁，绝大多数情况下都是无法在线解决的，只能重启、修正程序本身问题。所以，代码开发阶段互相审查，或者利用工具进行预防性排查，往往也是很重要的。

考点分析

问题偏向于实用场景，大部分死锁本身并不难定位，掌握基本思路和工具使用，理解线程相关的基本概念，比如各种线程状态和同步、锁、Latch 等并发工具，就已经足够解决大多数问题了。

针对死锁，面试官可以深入考察：

• 抛开字面上的概念，让面试者写一个可能死锁的程序，顺便也考察下基本的线程编程。
• 诊断死锁有哪些工具，如果是分布式环境，可能更关心能否用 API 实现吗？
• 后期诊断死锁还是挺痛苦的，经常加班，如何在编程中尽量避免一些典型场景的死锁，有其他工具辅助吗？

知识扩展

在分析开始之前，先以一个基本的死锁程序为例，在这里只用了两个嵌套的 synchronized 去获取锁，具体如下：

public class DeadLockSample extends Thread {
	private String first;
	private String second;
	public DeadLockSample(String name, String first, String second) {
    	super(name);
    	this.first = first;
    	this.second = second;
	}
 
	public  void run() {
    	synchronized (first) {
        	System.out.println(this.getName() + " obtained: " + first);
        	try {
            	Thread.sleep(1000L);
            	synchronized (second) {
                	System.out.println(this.getName() + " obtained: " + second);
            	}
        	} catch (InterruptedException e) {
            	// Do nothing
        	}
    	}
	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	String lockA = "lockA";
    	String lockB = "lockB";
    	DeadLockSample t1 = new DeadLockSample("Thread1", lockA, lockB);
    	DeadLockSample t2 = new DeadLockSample("Thread2", lockB, lockA);
    	t1.start();
    	t2.start();
    	t1.join();
    	t2.join();
	}
}

这个程序编译执行后，几乎每次都可以重现死锁，请看下面截取的输出。另外，这里有个比较有意思的地方，为什么我先调用 Thread1 的 start，但是 Thread2 却先打印出来了呢？这就是因为线程调度依赖于（操作系统）调度器，虽然你可以通过优先级之类进行影响，但是具体情况是不确定的。

下面来模拟问题定位，选取最常见的 jstack，其他一些类似 JConsole 等图形化的工具，请自行查找。

首先，可以使用 jps 或者系统的 ps 命令、任务管理器等工具，确定进程 ID。

其次，调用 jstack 获取线程栈：

${JAVA_HOME}injstack your_pid

然后，分析得到的输出，具体片段如下：

最后，结合代码分析线程栈信息。上面这个输出非常明显，找到处于 BLOCKED 状态的线程，按照试图获取（waiting）的锁 ID（请看我标记为相同颜色的数字）查找，很快就定位问题。 jstack 本身也会把类似的简单死锁抽取出来，直接打印出来。

在实际应用中，类死锁情况未必有如此清晰的输出，但是总体上可以理解为：

区分线程状态 -> 查看等待目标 -> 对比 Monitor 等持有状态

所以，理解线程基本状态和并发相关元素是定位问题的关键，然后配合程序调用栈结构，基本就可以定位到具体的问题代码。

如果我们是开发自己的管理工具，需要用更加程序化的方式扫描服务进程、定位死锁，可以考虑使用 Java 提供的标准管理 API，ThreadMXBean，其直接就提供了 findDeadlockedThreads() 方法用于定位。为方便说明，修改了 DeadLockSample，请看下面的代码片段。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
	ThreadMXBean mbean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
	Runnable dlCheck = new Runnable() {
 
    	@Override
    	public void run() {
        	long[] threadIds = mbean.findDeadlockedThreads();
        	if (threadIds != null) {
                     ThreadInfo[] threadInfos = mbean.getThreadInfo(threadIds);
                     System.out.println("Detected deadlock threads:");
            	for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
                	System.out.println(threadInfo.getThreadName());
            	}
          }
       }
    };
 
       ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
       // 稍等 5 秒，然后每 10 秒进行一次死锁扫描
        scheduler.scheduleAtFixedRate(dlCheck, 5L, 10L, TimeUnit.SECONDS);
		// 死锁样例代码…
}

重新编译执行，你就能看到死锁被定位到的输出。在实际应用中，就可以据此收集进一步的信息，然后进行预警等后续处理。但是要注意的是，对线程进行快照本身是一个相对重量级的操作，还是要慎重选择频度和时机。

如何在编程中尽量预防死锁呢？

首先，我们来总结一下前面例子中死锁的产生包含哪些基本元素。基本上死锁的发生是因为：

• 互斥条件，类似 Java 中 Monitor 都是独占的，要么是我用，要么是你用。
• 互斥条件是长期持有的，在使用结束之前，自己不会释放，也不能被其他线程抢占。
• 循环依赖关系，两个或者多个个体之间出现了锁的链条环。

所以，我们可以据此分析可能的避免死锁的思路和方法。

第一种方法

如果可能的话，尽量避免使用多个锁，并且只有需要时才持有锁。否则，即使是非常精通并发编程的工程师，也难免会掉进坑里，嵌套的 synchronized 或者 lock 非常容易出问题。

举个例子， Java NIO 的实现代码向来以锁多著称，一个原因是，其本身模型就非常复杂，某种程度上是不得不如此；另外是在设计时，考虑到既要支持阻塞模式，又要支持非阻塞模式。直接结果就是，一些基本操作如 connect，需要操作三个锁以上，在最近的一个 JDK 改进中，就发生了死锁现象。

将其简化为下面的伪代码，问题是暴露在 HTTP/2 客户端中，这是个非常现代的反应式风格的 API，非常推荐学习使用。

/// Thread HttpClient-6-SelectorManager:
readLock.lock();
writeLock.lock();
// 持有 readLock/writeLock，调用 close（）需要获得 closeLock
close();
// Thread HttpClient-6-Worker-2 持有 closeLock
implCloseSelectableChannel (); // 想获得 readLock

在 close 发生时， HttpClient-6-SelectorManager 线程持有 readLock/writeLock，试图获得 closeLock；与此同时，另一个 HttpClient-6-Worker-2 线程，持有 closeLock，试图获得 readLock，这就不可避免地进入了死锁。

这里比较难懂的地方在于，closeLock 的持有状态（就是标记为绿色的部分）并没有在线程栈中显示出来，请参考我在下图中标记的部分。

更加具体来说，请查看SocketChannelImpl的 663 行，对比 implCloseSelectableChannel() 方法实现和AbstractInterruptibleChannel.close()在 109 行的代码，这里就不展示代码了。

所以，从程序设计的角度反思，如果我们赋予一段程序太多的职责，出现“既要…又要…”的情况时，可能就需要我们审视下设计思路或目的是否合理了。对于类库，因为其基础、共享的定位，比应用开发往往更加令人苦恼，需要仔细斟酌之间的平衡。

第二种方法

如果必须使用多个锁，尽量设计好锁的获取顺序，这个说起来简单，做起来可不容易，你可以参看著名的银行家算法。

一般的情况，我建议可以采取些简单的辅助手段，比如：

• 将对象（方法）和锁之间的关系，用图形化的方式表示分别抽取出来，以今天最初讲的死锁为例，因为是调用了同一个线程所以更加简单。

• 然后根据对象之间组合、调用的关系对比和组合，考虑可能调用时序。

• 按照可能时序合并，发现可能死锁的场景。

第三种方法

使用带超时的方法，为程序带来更多可控性。

类似 Object.wait(…) 或者 CountDownLatch.await(…)，都支持所谓的 timed_wait，我们完全可以就不假定该锁一定会获得，指定超时时间，并为无法得到锁时准备退出逻辑。

并发 Lock 实现，如 ReentrantLock 还支持非阻塞式的获取锁操作 tryLock()，这是一个插队行为（barging），并不在乎等待的公平性，如果执行时对象恰好没有被独占，则直接获取锁。有时，我们希望条件允许就尝试插队，不然就按照现有公平性规则等待，一般采用下面的方法：

if (lock.tryLock() || lock.tryLock(timeout, unit)) {
  	// ...
   }

第四种方法

业界也有一些其他方面的尝试，比如通过静态代码分析（如 FindBugs）去查找固定的模式，进而定位可能的死锁或者竞争情况。实践证明这种方法也有一定作用，请参考相关文档。

除了典型应用中的死锁场景，其实还有一些更令人头疼的死锁，比如类加载过程发生的死锁，尤其是在框架大量使用自定义类加载时，因为往往不是在应用本身的代码库中，jstack 等工具也不见得能够显示全部锁信息，所以处理起来比较棘手。对此，Java 有官方文档进行了详细解释，并针对特定情况提供了相应 JVM 参数和基本原则。