Java多線程和并發(fā)面試題（附答案）1~3題

1、DeplayQueue延時(shí)無(wú)界阻塞隊(duì)列

在談到DelayQueue的使用和原理的時(shí)候，我們首先介紹一下DelayQueue，DelayQueue是一個(gè)無(wú)界阻塞隊(duì)列，只有在延遲期滿時(shí)才能從中提取元素。該隊(duì)列的頭部是延遲期滿后保存時(shí)間最長(zhǎng)的Delayed元素。

DelayQueue阻塞隊(duì)列在我們系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中也常常會(huì)用到，例如：緩存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，緩存中的對(duì)象，超過(guò)了空閑時(shí)間，需要從緩存中移出；任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確的把握任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。我們可能需要通過(guò)線程處理很多時(shí)間上要求很?chē)?yán)格的數(shù)據(jù)，如果使用普通的線程，我們就需要遍歷所有的對(duì)象，一個(gè)一個(gè)的檢查看數(shù)據(jù)是否過(guò)期等，首先這樣在執(zhí)行上的效率不會(huì)太高，其次就是這種設(shè)計(jì)的風(fēng)格也大大的影響了數(shù)據(jù)的精度。一個(gè)需要12：00點(diǎn)執(zhí)行的任務(wù)可能12：01才執(zhí)行，這樣對(duì)數(shù)據(jù)要求很高的系統(tǒng)有更大的弊端。由此我們可以使用DelayQueue。

下面將會(huì)對(duì)DelayQueue做一個(gè)介紹，然后舉個(gè)例子。并且提供一個(gè)Delayed接口的實(shí)現(xiàn)和Sample代碼。DelayQueue是一個(gè)BlockingQueue，其特化的參數(shù)是Delayed。（不了解BlockingQueue的同學(xué)，先去了解BlockingQueue再看本文）Delayed擴(kuò)展了Comparable接口，比較的基準(zhǔn)為延時(shí)的時(shí)間值，Delayed接口的實(shí)現(xiàn)類getDelay的返回值應(yīng)為固定值（final）。DelayQueue內(nèi)部是使用PriorityQueue實(shí)現(xiàn)的。

DelayQueue=BlockingQueue+PriorityQueue+Delayed

DelayQueue的關(guān)鍵元素BlockingQueue、PriorityQueue、Delayed。可以這么說(shuō)，DelayQueue是一個(gè)使用優(yōu)先隊(duì)列（PriorityQueue）實(shí)現(xiàn)的BlockingQueue，優(yōu)先隊(duì)列的比較基準(zhǔn)值是時(shí)間。

他們的基本定義如下

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}
public class DelayQueue<E extends Delayed> implements BlockingQueue<E> {
    private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
}

DelayQueue 內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)使用了一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列。當(dāng)調(diào)用 DelayQueue 的 offer 方法時(shí)，把 Delayed 對(duì)象加入到優(yōu)先隊(duì)列 q 中。如下：

public boolean offer(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        E first = q.peek();
        q.offer(e);
        if (first == null || e.compareTo(first) < 0)
            available.signalAll();
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

DelayQueue 的 take 方法，把優(yōu)先隊(duì)列 q 的 first 拿出來(lái)（peek），如果沒(méi)有達(dá)到延時(shí)閥值，則進(jìn)行 await處理。如下：

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (; ; ) {
            E first = q.peek();
            if (first == null) {
                available.await();
            } else {
                long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
                if (delay > 0) {
                    long tl = available.awaitNanos(delay);
                } else {
                    E x = q.poll();
                    assert x != null;
                    if (q.size() != 0)
                        available.signalAll(); //wake up other takers return x;
                }
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

● DelayQueue 實(shí)例應(yīng)用

Ps：為了具有調(diào)用行為，存放到 DelayDeque 的元素必須繼承 Delayed 接口。Delayed 接口使對(duì)象成為延遲對(duì)象，它使存放在 DelayQueue 類中的對(duì)象具有了激活日期。該接口強(qiáng)制執(zhí)行下列兩個(gè)方法。

一下將使用 Delay 做一個(gè)緩存的實(shí)現(xiàn)。其中共包括三個(gè)類Pair、DelayItem、Cache

● Pair 類：

public class Pair<K, V> {
    public K first;
    public V second;
    public Pair() {
    }
    public Pair(K first, V second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }
}

以下是對(duì) Delay 接口的實(shí)現(xiàn)：

import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
public class DelayItem<T> implements Delayed {
    /**
     * Base of nanosecond timings， to avoid wrapping
     */
    private static final long NANO_ORIGIN = System.nanoTime();
    /**
     * Returns nanosecond time offset by origin
     */
    final static long now() {
        return System.nanoTime() - NANO_ORIGIN;
    }
    /**
     * Sequence number to break scheduling ties， and in turn to guarantee FIFO order among tied
     * entries.
     */
    private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);

    /**
     * Sequence number to break ties FIFO
     */
    private final long sequenceNumber;

    /**
     * The time the task is enabled to execute in nanoTime units
     */
    private final long time;
    private final T item;
    public DelayItem(T submit， long timeout) {
        this.time = now() + timeout;
        this.item = submit;
        this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
    }
    public T getItem() {
        return this.item;
    }
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        long d = unit.convert(time - now()， TimeUnit.NANOSECONDS); return d;
    }
    public int compareTo(Delayed other) {
        if (other == this) // compare zero ONLY if same object return 0;
            if (other instanceof DelayItem) {
                DelayItem x = (DelayItem) other;
                long diff = time - x.time;
                if (diff < 0) return -1;
                else if (diff > 0) return 1;
                else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1;
                else
                    return 1;
            }
        long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
        return (d == 0) ?0 :((d < 0) ?-1 :1);
    }
}

以下是 Cache 的實(shí)現(xiàn)，包括了 put 和 get 方法

import javafx.util.Pair;

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;

public class Cache<K, V> {
    private static final Logger LOG = Logger.getLogger(Cache.class.getName());
    private ConcurrentMap<K, V> cacheObjMap = new ConcurrentHashMap<K, V>();
    private DelayQueue<DelayItem<Pair<K, V>>> q = new DelayQueue<DelayItem<Pair<K, V>>>();
    private Thread daemonThread;

    public Cache() {

        Runnable daemonTask = new Runnable() {
            public void run() {
                daemonCheck();
            }
        };
        daemonThread = new Thread(daemonTask);
        daemonThread.setDaemon(true);
        daemonThread.setName("Cache Daemon");
        daemonThread.start();
    }

    private void daemonCheck() {
        if (LOG.isLoggable(Level.INFO)) LOG.info("cache service started.");
        for (; ; ) {
            try {
                DelayItem<Pair<K, V>> delayItem = q.take();
                if (delayItem != null) {
                    // 超時(shí)對(duì)象處理
                    Pair<K, V> pair = delayItem.getItem();
                    cacheObjMap.remove(pair.first, pair.second); // compare and remove
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                if (LOG.isLoggable(Level.SEVERE)) LOG.log(Level.SEVERE, e.getMessage(), e);
                break;
            }
        }
        if (LOG.isLoggable(Level.INFO)) LOG.info("cache service stopped.");
    }

    // 添加緩存對(duì)象
    public void put(K key, V value, long time, TimeUnit unit) {
        V oldValue = cacheObjMap.put(key, value);
        if (oldValue != null) q.remove(key);
        long nanoTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(time, unit);
        q.put(new DelayItem<Pair<K, V>>(new Pair<K, V>(key, value), nanoTime));
    }

    public V get(K key) {
        return cacheObjMap.get(key);
    }
}

測(cè)試 main 方法：

// 測(cè)試入口函數(shù)
public static void main(String[] args) throws Exception {
    Cache<Integer, String> cache = new Cache<Integer, String>();
    cache.put(1, "aaaa", 3, TimeUnit.SECONDS);
    Thread.sleep(1000 * 2);
    {
        String str = cache.get(1);
        System.out.println(str);
    }
    Thread.sleep(1000 * 2);
    {
        String str = cache.get(1);
        System.out.println(str);
    }
}

輸出結(jié)果為：

aaaa

null

我們看到上面的結(jié)果，如果超過(guò)延時(shí)的時(shí)間，那么緩存中數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)丟失，獲得就為 null。

2、并發(fā)（Collection）隊(duì)列-非阻塞隊(duì)列

● 非阻塞隊(duì)列

首先我們要簡(jiǎn)單的理解下什么是非阻塞隊(duì)列：

與阻塞隊(duì)列相反，非阻塞隊(duì)列的執(zhí)行并不會(huì)被阻塞，無(wú)論是消費(fèi)者的出隊(duì)，還是生產(chǎn)者的入隊(duì)。在底層，非阻塞隊(duì)列使用的是 CAS(compare and swap)來(lái)實(shí)現(xiàn)線程執(zhí)行的非阻塞。

● 非阻塞隊(duì)列簡(jiǎn)單操作

與阻塞隊(duì)列相同，非阻塞隊(duì)列中的常用方法，也是出隊(duì)和入隊(duì)。

● offer()：Queue 接口繼承下來(lái)的方法，實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的入隊(duì)操作，不會(huì)阻礙線程的執(zhí)行，插入成功返回 true； 出隊(duì)方法：

● poll()：移動(dòng)頭結(jié)點(diǎn)指針，返回頭結(jié)點(diǎn)元素，并將頭結(jié)點(diǎn)元素出隊(duì)；隊(duì)列為空，則返回 null；

● peek()：移動(dòng)頭結(jié)點(diǎn)指針，返回頭結(jié)點(diǎn)元素，并不會(huì)將頭結(jié)點(diǎn)元素出隊(duì)；隊(duì)列為空，則返回 null；

3、非阻塞算法CAS

首先我們需要了解悲觀鎖和樂(lè)觀鎖

悲觀鎖：假定并發(fā)環(huán)境是悲觀的，如果發(fā)生并發(fā)沖突，就會(huì)破壞一致性，所以要通過(guò)獨(dú)占鎖徹底禁止沖突發(fā)生。有一個(gè)經(jīng)典比喻，“如果你不鎖門(mén)，那么搗蛋鬼就回闖入并搞得一團(tuán)糟”，所以“你只能一次打開(kāi)門(mén)放進(jìn)一個(gè)人，才能時(shí)刻盯緊他”。

樂(lè)觀鎖：假定并發(fā)環(huán)境是樂(lè)觀的，即雖然會(huì)有并發(fā)沖突，但沖突可發(fā)現(xiàn)且不會(huì)造成損害，所以，可以不加任何保護(hù)，等發(fā)現(xiàn)并發(fā)沖突后再?zèng)Q定放棄操作還是重試。可類比的比喻為，“如果你不鎖門(mén)，那么雖然搗蛋鬼會(huì)闖入，但他們一旦打算破壞你就能知道”，所以“你大可以放進(jìn)所有人，等發(fā)現(xiàn)他們想破壞的時(shí)候再做決定”。通常認(rèn)為樂(lè)觀鎖的性能比悲觀所更高，特別是在某些復(fù)雜的場(chǎng)景。這主要由于悲觀鎖在加鎖的同時(shí)，也會(huì)把某些不會(huì)造成破壞的操作保護(hù)起來(lái)；而樂(lè)觀鎖的競(jìng)爭(zhēng)則只發(fā)生在最小的并發(fā)沖突處，如果用悲觀鎖來(lái)理解，就是“鎖的粒度最小”。但樂(lè)觀鎖的設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜，因此，復(fù)雜場(chǎng)景下還是多用悲觀鎖。首先保證正確性，有必要的話，再去追求性能。

樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)往往需要硬件的支持，多數(shù)處理器都都實(shí)現(xiàn)了一個(gè)CAS指令，實(shí)現(xiàn)“Compare And Swap”的語(yǔ)義（這里的swap是“換入”，也就是set），構(gòu)成了基本的樂(lè)觀鎖。CAS包含3個(gè)操作數(shù)：

需要讀寫(xiě)的內(nèi)存位置V

進(jìn)行比較的值A(chǔ)

擬寫(xiě)入的新值B

當(dāng)且僅當(dāng)位置V的值等于A時(shí)，CAS才會(huì)通過(guò)原子方式用新值B來(lái)更新位置V的值；否則不會(huì)執(zhí)行任何操作。無(wú)論位置V的值是否等于A，都將返回V原有的值。一個(gè)有意思的事實(shí)是，“使用CAS控制并發(fā)”與“使用樂(lè)觀鎖”并不等價(jià)。CAS只是一種手段，既可以實(shí)現(xiàn)樂(lè)觀鎖，也可以實(shí)現(xiàn)悲觀鎖。樂(lè)觀、悲觀只是一種并發(fā)控制的策略。