【面试】如果把线程当作一个人来对待，所有问题都瞬间明白了

小鱼儿 2021-09-30 23:34 229阅读 0赞

> 本文公众号来源：编程新说李新杰 作者：编程新说
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> 分享一篇好文！文章含有常见的面试题！  
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*多线程的问题都曾经困扰过每个开发人员，今天将从全新视角来解说，希望读者都能明白。*

强烈建议去运行下文章中的示例代码，自己体会下。

**问题究竟出在哪里？**  
  
  
一个线程执行，固然是安全的，但是有时太慢了，怎么办？  
  
老祖宗告诉我们，“一方有难，八方支援”，那不就是多叫几个线程来帮忙嘛，好办呀，多new几个不就行了，又不要钱。这样能管用吗？继续往下看。  
  
俗话说，“在家靠父母，出门靠朋友”。有了朋友的帮助，就会事半功倍。是这样的吗？  
  
不一定，如果朋友“不靠谱”，结果竟是在“添乱”。于是就演变为，“不怕神一样的对手，就怕猪一样的队友”。可见“人多力量大”纵然是对的，但也要配合好才能成事。  
  
人和人是朋友，那线程和线程也是“朋友”，如果多线程之间不能配合好的话，最终也会变为“猪一样的队友”。事实证明，这也不是一件易事。且容我慢慢道来。  
  
开发是一门技术，管理是一门艺术。也许你正想带着兄弟们大干一场，可偏偏就有人要辞职。或者你付出了这么多，但别人从来没有感动过。为什么会这样呢？  
  
因为你面对的是人。每个人都是独立的个体，有思想，有灵魂，有情感，有三观。能够接受外界的“输入”，经过“处理”后，能够产生“输出”。  
  
说白了就是会自主的分析问题，并做出决定。这叫什么呢？答案就是，主观能动性。  
  
拥有主观能动性的物体（比如人），你需要和它协商着或配合着来共同完成一件事情，而不能“强迫”它去做什么，因为这样往往不会有好的结果。  
  
费了这么多口舌，就是希望把问题尽量的简单化。终于可以回到程序了，那线程的情况是不是类似的呢？答案是肯定的。  
  
一个线程准备好后，经过CPU的调度，就可以自主的运行了。此时它俨然成了一个独立的个体，且具有主观能动性。  
  
这本是一件好事，但却也有不好的一面，那就是你对它的“掌控”能力变弱了，颇有一种“将在外，君命有所不受”的感觉。  
  
可能你不同意这种看法，说我可以“强迫”它停止运行，调用Thread类的stop()方法来直接把它“掐死”，不好意思，该方法已废弃。  
  
因为线程可能在运行一些“关键”代码（比如转账），此刻不能被终止。Thread类还有一些其它的方法也都废弃了，大抵原因其实都差不多。  
  
讲了这么多，相信你已经明白了，简单总结一下：  
  
**事情起因**：线程可以独立自主的运行，可以认为它具有主观能动性。  
  
**造成结果**：对它的掌控能力变弱了，而且又不能直接把它“干掉”。  
  
**解决方案**：凡事商量着来，互相配合着把事情完成。  
  
**作者观点**：其实就是把线程当作人来对待。

**小试牛刀一下**  
  
  
一旦把线程当成人，就来到了人类的世界，这我们太熟悉了，所以很多问题都会变得非常简单明了。一起来看看吧。  
  
  
场景一，**停止**  
  
“大胖，大胖，12点了，该去吃饭了，别写了”  
  
“好的，好的，稍等片刻，把这几行代码写完就走”  
  
要点：把停止的信号传达给别人，别人处理完手头的事情就自己主动停止了。

static void stopByFlag() {	
        ARunnable ar = new ARunnable();	
        new Thread(ar).start();	
        ar.tellToStop();	
      }	
      	
      static class ARunnable implements Runnable {	
    	
        volatile boolean stop;	
        	
        void tellToStop() {	
          stop = true;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("进入不可停止区域 1。。。");	
          doingLongTime(5);	
          println("退出不可停止区域 1。。。");	
          println("检测标志stop = %s", String.valueOf(stop));	
          if (stop) {	
            println("停止执行");	
            return;	
          }	
          println("进入不可停止区域 2。。。");	
          doingLongTime(5);	
          println("退出不可停止区域 2。。。");	
        }	
        	
      }

解说：线程在预设的地点检测flag，来决定是否停止。

场景二，**暂停/恢复**  
  
“大胖，大胖，先别发请求了，对方服务器快挂了”  
  
“好的，好的，等这个执行完就不发了”  
  
过了一会  
  
“大胖，大胖，可以重新发请求了”  
  
“好的，好的”  
  
要点：把暂停的信号传达给别人，别人处理完手头的事情就自己主动暂停了。但是恢复是无法自主进行的，只能由操作系统来恢复线程的执行。

static void pauseByFlag() {	
        BRunnable br = new BRunnable();	
        new Thread(br).start();	
        br.tellToPause();	
        sleep(8);	
        br.tellToResume();	
      }	
      	
      static class BRunnable implements Runnable {	
        	
        volatile boolean pause;	
        	
        void tellToPause() {	
          pause = true;	
        }	
        	
        void tellToResume() {	
          synchronized (this) {	
            this.notify();	
          }	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("进入不可暂停区域 1。。。");	
          doingLongTime(5);	
          println("退出不可暂停区域 1。。。");	
          println("检测标志pause = %s", String.valueOf(pause));	
          if (pause) {	
            println("暂停执行");	
            try {	
              synchronized (this) {	
                this.wait();	
              }	
            } catch (InterruptedException e) {	
              e.printStackTrace();	
            }	
            println("恢复执行");	
          }	
          println("进入不可暂停区域 2。。。");	
          doingLongTime(5);	
          println("退出不可暂停区域 2。。。");	
        }	
        	
      }

解说：还是在预设的地点检测flag。然后就是wait/notify配合使用。

场景三，**插队**  
  
“大胖，大胖，让我站到你前面，不想排队了”  
  
“好吧”  
  
要点：别人插队到你前面，必须等他完事后才轮到你。

static void jqByJoin() {	
        CRunnable cr = new CRunnable();	
        Thread t = new Thread(cr);	
        t.start();	
        sleep(1);	
        try {	
          t.join();	
        } catch (InterruptedException e) {	
          e.printStackTrace();	
        }	
        println("终于轮到我了");	
      }	
      	
      static class CRunnable implements Runnable {	
    	
        @Override	
        public void run() {	
          println("进入不可暂停区域 1。。。");	
          doingLongTime(5);	
          println("退出不可暂停区域 1。。。");	
        }	
        	
      }

解说：join方法可以让某个线程插到自己前面，等它执行完，自己才会继续执行。

场景四，**叫醒**  
  
“大胖，大胖，醒醒，醒醒，看谁来了”  
  
“谁啊，我去”  
  
要点：要把别人从睡梦中叫醒，一定要采取稍微暴力一点的手段。

static void stopByInterrupt() {	
        DRunnable dr = new DRunnable();	
        Thread t = new Thread(dr);	
        t.start();	
        sleep(2);	
        t.interrupt();	
      }	
      	
      static class DRunnable implements Runnable {	
    	
        @Override	
        public void run() {	
          println("进入暂停。。。");	
          try {	
            sleep2(5);	
          } catch (InterruptedException e) {	
            println("收到中断异常。。。");	
            println("做一些相关处理。。。");	
          }	
          println("继续执行或选择退出。。。");	
        }	
        	
      }

解说：线程在sleep或wait时，是处于无法交互的状态的，此时只能使用interrupt方法中断它，线程会被激活并收到中断异常。

**常见的协作配合**  
  
  
上面那些场景，其实都是对一个线程的操作，下面来看多线程间的一些配合。  
  
事件一，**考试**  
  
假设今天考试，20个学生，1个监考老师。规定学生可以提前交卷，即把卷子留下，直接走人就行了。  
  
但老师必须等到所有的学生都走后，才可以收卷子，然后装订打包。  
  
如果把学生和老师都看作线程，就是1个线程和20个线程的配合问题，即等20个线程都结束了，这1个线程才开始。  
  
比如20个线程分别在计算数据，等它们都结束后得到20个中间结果，最后这1个线程再进行后续汇总、处理等。

static final int COUNT = 20;	
      	
      public static void main(String[] args) throws Exception {	
        new Thread(new Teacher(cdl)).start();	
        sleep(1);	
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {	
          new Thread(new Student(i, cdl)).start();	
        }	
        synchronized (ThreadCo1.class) {	
          ThreadCo1.class.wait();	
        }	
      }	
      	
      static CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(COUNT);	
      	
      static class Teacher implements Runnable {	
        	
        CountDownLatch cdl;	
        	
        Teacher(CountDownLatch cdl) {	
          this.cdl = cdl;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("老师发卷子。。。");	
          try {	
            cdl.await();	
          } catch (InterruptedException e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
          println("老师收卷子。。。");	
        }	
        	
      }	
      	
      static class Student implements Runnable {	
        	
        CountDownLatch cdl;	
        int num;	
        	
        Student(int num, CountDownLatch cdl) {	
          this.num = num;	
          this.cdl = cdl;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("学生(%d)写卷子。。。", num);	
          doingLongTime();	
          println("学生(%d)交卷子。。。", num);	
          cdl.countDown();	
        }	
        	
      }

解说：每完成一个线程，计数器减1，当减到0时，被阻塞的线程自动执行。

事件二，**旅游**  
  
最近景色宜人，公司组织去登山，大伙都来到了山脚下，登山过程自由进行。  
  
但为了在特定的地点拍集体照，规定1个小时后在半山腰集合，谁最后到的，要给大家表演一个节目。  
  
然后继续登山，在2个小时后，在山顶集合拍照，还是谁最后到的表演节目。  
  
接着开始下山了，在2个小时后在山脚下集合，点名回家，最后到的照例表演节目。

static final int COUNT = 5;	
      	
      public static void main(String[] args) throws Exception {	
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {	
          new Thread(new Staff(i, cb)).start();	
        }	
        synchronized (ThreadCo2.class) {	
          ThreadCo2.class.wait();	
        }	
      }	
      	
      static CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(COUNT, new Singer());	
      	
      static class Singer implements Runnable {	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("为大家唱歌。。。");	
        }	
        	
      }	
      	
      static class Staff implements Runnable {	
        	
        CyclicBarrier cb;	
        int num;	
        	
        Staff(int num, CyclicBarrier cb) {	
          this.num = num;	
          this.cb = cb;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("员工(%d)出发。。。", num);	
          doingLongTime();	
          println("员工(%d)到达地点一。。。", num);	
          try {	
            cb.await();	
          } catch (Exception e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
          println("员工(%d)再出发。。。", num);	
          doingLongTime();	
          println("员工(%d)到达地点二。。。", num);	
          try {	
            cb.await();	
          } catch (Exception e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
          println("员工(%d)再出发。。。", num);	
          doingLongTime();	
          println("员工(%d)到达地点三。。。", num);	
          try {	
            cb.await();	
          } catch (Exception e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
          println("员工(%d)结束。。。", num);	
        }	
        	
      }

解说：某个线程到达预设点时就在此等待，等所有的线程都到达时，大家再一起向下个预设点出发。如此循环反复下去。

事件三，**劳动**  
  
大胖和小白去了创业公司，公司为了节约开支，没有请专门的保洁人员。让员工自己扫地和擦桌。  
  
大胖觉得擦桌轻松，就让小白去扫地。可小白觉得扫地太累，也想擦桌。  
  
为了公平起见，于是决定，每人先干一半，然后交换工具，再接着干对方剩下的那一个半。

public static void main(String[] args) throws Exception {	
        new Thread(new Staff("大胖", new Tool("笤帚", "扫地"), ex)).start();	
        new Thread(new Staff("小白", new Tool("抹布", "擦桌"), ex)).start();	
        synchronized (ThreadCo3.class) {	
          ThreadCo3.class.wait();	
        }	
      }	
      	
      static Exchanger<Tool> ex = new Exchanger<>();	
      	
      static class Staff implements Runnable {	
        	
        String name;	
        Tool tool;	
        Exchanger<Tool> ex;	
        	
        Staff(String name, Tool tool, Exchanger<Tool> ex) {	
          this.name = name;	
          this.tool = tool;	
          this.ex = ex;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("%s拿的工具是[%s]，他开始[%s]。。。", name, tool.name, tool.work);	
          doingLongTime();	
          println("%s开始交换工具。。。", name);	
          try {	
            tool = ex.exchange(tool);	
          } catch (Exception e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
          	
          println("%s的工具变为[%s]，他开始[%s]。。。", name, tool.name, tool.work);	
        }	
        	
      }	
      	
      static class Tool {	
        	
        String name;	
        String work;	
        	
        Tool(String name, String work) {	
          this.name = name;	
          this.work = work;	
        }	
        	
      }

解说：两个线程在预设点交换变量，先到达的等待对方。

事件四，**魔性游戏**  
  
这是一个充满魔性的小游戏，由一个团队一起参加。所有人每隔5秒钟抽一次签，每个人有50%的概率留下来或被淘汰。  
  
留下来的人下次抽签时同样有50%的概率被淘汰。被淘汰的人下次抽签时同样有50%的概率复活。  
  
团队所有成员都被淘汰完，为挑战失败，团队所有成员都回到游戏中（除刚开始外），为挑战成功。  
  
比如一开始10人参与游戏，第一轮抽签后，6人留下，4人淘汰。  
  
第二轮抽签后，留下的6人中4人被淘汰，淘汰的4人中2人复活，那么目前是4人在游戏中，6人被淘汰。  
  
一直如此继续下去，直到10人全部被淘汰，或全部回到游戏中。  
  
可见，人数越多，全部被淘汰的概率越小，但全部回到游戏中的概率也越小。  
  
反之，人数越少，全部回到游戏中的概率越大，但全部被淘汰的概率也越大。  
  
是不是很有魔性啊。哈哈。

static final int COUNT = 6;	
      	
      public static void main(String[] args) throws Exception {	
        new Thread(new Challenger("张三")).start();	
        new Thread(new Challenger("李四")).start();	
        new Thread(new Challenger("王五")).start();	
        new Thread(new Challenger("赵六")).start();	
        new Thread(new Challenger("大胖")).start();	
        new Thread(new Challenger("小白")).start();	
        synchronized (ThreadCo4.class) {	
          ThreadCo4.class.wait();	
        }	
      }	
      	
      static Phaser ph = new Phaser() {	
        	
        protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {	
          println2("第(%d)局，剩余[%d]人", phase, registeredParties);	
          return registeredParties == 0 ||	
              (phase != 0 && registeredParties == COUNT);	
        };	
      };	
      	
      static class Challenger implements Runnable {	
        	
        String name;	
        int state;	
        	
        Challenger(String name) {	
          this.name = name;	
          this.state = 0;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          println("[%s]开始挑战。。。", name);	
          ph.register();	
          int phase = 0;	
          int h;	
          while (!ph.isTerminated() && phase < 100) {	
            doingLongTime(5);	
            if (state == 0) {	
              if (Decide.goon()) {	
                h = ph.arriveAndAwaitAdvance();	
                if (h < 0)	
                  println("No%d.[%s]继续，但已胜利。。。", phase, name);	
                else	
                  println("No%d.[%s]继续at(%d)。。。", phase, name, h);	
              } else {	
                state = -1;	
                h = ph.arriveAndDeregister();	
                println("No%d.[%s]退出at(%d)。。。", phase, name, h);	
              }	
            } else {	
              if (Decide.revive()) {	
                state = 0;	
                h = ph.register();	
                if (h < 0)	
                  println("No%d.[%s]复活，但已失败。。。", phase, name);	
                else	
                  println("No%d.[%s]复活at(%d)。。。", phase, name, h);	
              } else {	
                println("No%d.[%s]没有复活。。。", phase, name);	
              }	
            }	
            phase++;	
          }	
          if (state == 0) {	
            ph.arriveAndDeregister();	
          }	
          println("[%s]结束。。。", name);	
        }	
        	
      }	
      	
      static class Decide {	
    	
        static boolean goon() {	
          return random(9) > 4;	
        }	
        	
        static boolean revive() {	
          return random(9) < 5;	
        }	
      }

解说：某个线程到达预设点后，可以选择等待同伴或自己退出，等大家都到达后，再一起向下一个预设点出发，随时都可以有新的线程加入，退出的也可以再次加入。

**生产与销售的问题**  
  
  
在现实中，工厂生产出来的产品会先放到仓库存储，销售人员签了单子后，会从仓库把产品发给客户。  
  
如果生产的过快，仓库里产品越堆越多，直到把仓库堆满，那就必须停止生产，因为没地方放了。  
  
此时只能让销售人员赶紧出去签单子，把产品发出去，仓库就有了空间，可以恢复生产了。  
  
如果销售的过快，仓库里产品越来越少，直到把仓库清空，那就必须停止销售，因为没产品了。  
  
此时只能让生产人员赶紧生产产品，把产品放到仓库里，仓库里就有了产品，可以恢复销售了。  
  
可能会有人问，为什么不让生产和销售直接挂钩呢，把仓库这个环节去掉？  
  
这样会造成两种不好的情况：  
  
一是突然来了很多单子，生产人员累成死Dog也生产不出来。  
  
二是很长时间没有单子，生产人员闲成废Dog也无事可做。  
  
用稍微“专业”点的术语就是此时的生产和销售是一种强耦合的关系，销售的波动对生产影响太大。  
  
仓库就是一个缓冲区，能有效的吸收波动，很大程度上减少波动的传递，起到一种解耦作用，由强耦合变成一种松散耦合。  
  
这其实就对应计算机里经典的生产者和消费者问题。  
  
  
**经典的生产者和消费者**  
  
  
一到多个线程充当生产者，生产元素。一到多个线程充当消费者，消费元素。  
  
在两者之间插入一个队列（Queue）充当缓冲区，建立起生产者和消费者的松散耦合。  
  
正常情况下，即生产元素的速度和消费元素的速度差不多时，生产者和消费者其实是不需要去关注对方的。  
  
生产者可以一直生产，因为队列里总是有空间。消费者可以一直消费，因为队列里总是有元素。即达到一个动态的平衡。  
  
但在特殊情况下，比如生产元素的速度很快，队列里没有了空间，此时生产者必须自我“ba工”，开始“睡大觉”。  
  
一旦消费者消费了元素之后，队列里才会有空间，生产者才可以重启生产，所以，消费者在消费完元素后有义务去叫醒生产者复工。  
  
更准确的说法应该是，只有在生产者“睡大觉”时，消费者消费完元素后才需要去叫醒生产者。否则，其实可以不用叫醒，因为人家本来就没睡。  
  
反之，如果消费元素的速度很快，队列里没有了元素，只需把上述情况颠倒过来即可。  
  
但这样的话就会引入一个新的问题，就是要能够准备的判断出对方有没有在睡大觉，为此就必须定义一个状态变量，在自己即将开始睡大觉时，自己设置下这个变量。  
  
对方通过检测这个变量，来决定是否进行叫醒操作。当自己被叫醒后，首先要做的就是清除一下这个变量，表明我已经醒来复工了。  
  
这样就需要多维护一个变量和多了一部分判断逻辑。可能有些人会觉得可以通过判断队列的“空”或“满”（即队列中的元素数目）来决定是否进行叫醒操作。  
  
在高并发下，可能刚刚判断队列不为空，瞬间之后队列可能已经变为空的了，这样会导致逻辑出错。线程可能永远无法被叫醒。  
  
因此，综合所有，生产者每生产一个元素后，都会通知消费者，“现在有元素的，你可以消费”。  
  
同样，消费者每消费一个元素后，也会通知生产者，“现在有空间的，你可以生产”。  
  
很明显，这些通知很多时候（即对方没有睡大觉时）是没有真正意义的，不过无所谓，只要忽略它们就行了。  
  
就是“宁可错杀一千，也不放过一个”。首先要保证是正确的，然后才有资格去BB别的。

public static void main(String[] args) {	
        Queue queue = new Queue();	
        new Thread(new Producer(queue)).start();	
        new Thread(new Producer(queue)).start();	
        new Thread(new Consumer(queue)).start();	
      }	
      	
      static class Producer implements Runnable {	
    	
        Queue queue;	
        	
        Producer(Queue queue) {	
          this.queue = queue;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          try {	
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {	
              doingLongTime();	
              queue.putEle(random(10000));	
            }	
          } catch (Exception e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
        }	
        	
      }	
    	
      static class Consumer implements Runnable {	
    	
        Queue queue;	
        	
        Consumer(Queue queue) {	
          this.queue = queue;	
        }	
        	
        @Override	
        public void run() {	
          try {	
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {	
              doingLongTime();	
              queue.takeEle();	
            }	
          } catch (Exception e) {	
            e.printStackTrace();	
          }	
        }	
        	
      }	
    	
      static class Queue {	
        Lock lock = new ReentrantLock();	
        Condition prodCond  = lock.newCondition();	
        Condition consCond = lock.newCondition();	
        	
        final int CAPACITY = 10;	
        Object[] container = new Object[CAPACITY];	
        int count = 0;	
        int putIndex = 0;	
        int takeIndex = 0;	
        	
        public void putEle(Object ele) throws InterruptedException {	
          try {	
            lock.lock();	
            while (count == CAPACITY) {	
              println("队列已满：%d，生产者开始睡大觉。。。", count);	
              prodCond.await();	
            }	
            container[putIndex] = ele;	
            println("生产元素：%d", ele);	
            putIndex++;	
            if (putIndex >= CAPACITY) {	
              putIndex = 0;	
            }	
            count++;	
            println("通知消费者去消费。。。");	
            consCond.signalAll();	
          } finally {	
            lock.unlock();	
          }	
        }	
        	
        public Object takeEle() throws InterruptedException {	
          try {	
            lock.lock();	
            while (count == 0) {	
              println("队列已空：%d，消费者开始睡大觉。。。", count);	
              consCond.await();	
            }	
            Object ele = container[takeIndex];	
            println("消费元素：%d", ele);	
            takeIndex++;	
            if (takeIndex >= CAPACITY) {	
              takeIndex = 0;	
            }	
            count--;	
            println("通知生产者去生产。。。");	
            prodCond.signalAll();	
            return ele;	
          } finally {	
            lock.unlock();	
          }	
        }	
      }

解说：其实就是对await/signalAll的应用，几乎面试必问。

**源代码**：

https://github.com/coding-new-talking/java-code-demo.git