JUC

Q1：什么是 CAS（无锁、自旋锁、轻量级锁、乐观锁）？

CAS 表示 Compare And Swap，比较并交换，CAS 需要三个操作数，分别是内存位置 V、旧的预期值 A 和准备设置的新值 B。
CAS 指令执行时，当且仅当 V 符合 A 时，处理器才会用 B 更新 V 的值，否则它就不执行更新。但不管是否更新都会返回 V 的旧值，这些处理过程是原子操作，执行期间不会被其他线程打断。
在 JDK 5 后，Java 类库中才开始使用 CAS 操作，该操作由 Unsafe 类里的 compareAndSwapInt 等几个方法包装提供。HotSpot 在内部对这些方法做了特殊处理，即时编译的结果是一条平台相关的处理器 CAS 指令。Unsafe 类不是给用户程序调用的类，因此 JDK9 前只有 Java 类库可以使用 CAS，譬如 juc 包里的 AtomicInteger类中 compareAndSet 等方法都使用了Unsafe 类的 CAS 操作实现。

Q2：CAS 有什么问题？

CAS 从语义上来说存在一个逻辑漏洞：如果 V 初次读取时是 A，并且在准备赋值时仍为 A，这依旧不能说明它没有被其他线程更改过，因为这段时间内假设它的值先改为 B 又改回 A，那么 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。
这个漏洞称为 ABA 问题，juc 包提供了一个 AtomicStampedReference，原子更新带有版本号的引用类型，通过控制变量值的版本来解决 ABA 问题。大部分情况下 ABA 不会影响程序并发的正确性，如果需要解决，传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

Q3：有哪些原子类？

JDK 5 提供了 java.util.concurrent.atomic 包，这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。到 JDK 8 该包共有17个类，依据作用分为四种：原子更新基本类型类、原子更新数组类、原子更新引用类以及原子更新字段类，atomic 包里的类基本都是使用 Unsafe 实现的包装类。

AtomicInteger 原子更新整形、 AtomicLong 原子更新长整型、AtomicBoolean 原子更新布尔类型。
AtomicIntegerArray，原子更新整形数组里的元素、 AtomicLongArray 原子更新长整型数组里的元素、 AtomicReferenceArray 原子更新引用类型数组里的元素。AtomicReference 原子更新引用类型、AtomicMarkableReference 原子更新带有标记位的引用类型，可以绑定一个 boolean 标记、 AtomicStampedReference 原子更新带有版本号的引用类型，关联一个整数值作为版本号，解决 ABA 问题。
AtomicIntegerFieldUpdater 原子更新整形字段的更新器、 AtomicLongFieldUpdater 原子更新长整形字段的更新器AtomicReferenceFieldUpdater 原子更新引用类型字段的更新器。

Q4：AtomicIntger 实现原子更新的原理是什么？

AtomicInteger 原子更新整形、 AtomicLong 原子更新长整型、AtomicBoolean 原子更新布尔类型。
getAndIncrement 以原子方式将当前的值加 1，首先在 for 死循环中取得 AtomicInteger 里存储的数值，第二步对 AtomicInteger 当前的值加 1 ，第三步调用 compareAndSet 方法进行原子更新，先检查当前数值是否等于 expect，如果等于则说明当前值没有被其他线程修改，则将值更新为 next，否则会更新失败返回 false，程序会进入 for 循环重新进行 compareAndSet 操作。
atomic 包中只提供了三种基本类型的原子更新，atomic 包里的类基本都是使用 Unsafe 实现的，Unsafe 只提供三种 CAS 方法：compareAndSwapInt、compareAndSwapLong 和 compareAndSwapObject，例如原子更新 Boolean 是先转成整形再使用 compareAndSwapInt 。

Q5：CountDownLatch 是什么？

CountDownLatch 是基于执行时间的同步类，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，构造方法接收一个 int 参数作为计数器，如果要等待 n 个点就传入 n。
每次调用 countDown 方法时计数器减 1，await 方法阻塞当前线程直到计数器变为0，由于 countDown 方法可用在任何地方，所以 n 个点既可以是 n 个线程也可以是一个线程里的 n 个执行步骤。

Q6： CyclicBarrier 是什么？

循环屏障是基于同步到达某个点的信号量触发机制，作用是让一组线程到达一个屏障时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障才会解除。
构造方法中的参数表示拦截线程数量，每个线程调用 await 方法告诉 CyclicBarrier 自己已到达屏障，然后被阻塞。还支持在构造方法中传入一个 Runnable 任务，当线程到达屏障时会优先执行该任务。适用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。
CountDownLacth 的计数器只能用一次，而 CyclicBarrier 的计数器可使用 reset 方法重置，所以 CyclicBarrier 能处理更为复杂的业务场景，例如计算错误时可用重置计数器重新计算。

Q7：Semaphore 是什么？

信号量用来控制同时访问特定资源的线程数量，通过协调各个线程以保证合理使用公共资源。信号量可以用于流量控制，特别是公共资源有限的应用场景，比如数据库连接。
Semaphore 的构造方法参数接收一个 int 值，表示可用的许可数量即最大并发数。使用 acquire 方法获得一个许可证，使用 release 方法归还许可，还可以用 tryAcquire 尝试获得许可。

Q8：Exchanger 是什么？

交换者是用于线程间协作的工具类，用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点两个线程可以交换彼此的数据。
两个线程通过 exchange 方法交换数据，第一个线程执行 exchange 方法后会阻塞等待第二个线程执行该方法，当两个线程都到达同步点时这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出的数据传递给对方。应用场景包括遗传算法、校对工作等。

Q9：JDK7 的 ConcurrentHashMap 原理？

ConcurrentHashMap 用于解决 HashMap 的线程不安全和 HashTable 的并发效率低，HashTable 之所以效率低是因为所有线程都必须竞争同一把锁，假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器的部分数据，那么多线程访问容器不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而有效提高并发效率，这就是 ConcurrentHashMap 的锁分段技术。
首先将数据分成 Segment 数据段，然后给每一个数据段配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段的数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。
get 实现简单高效，先经过一次再散列，再用这个散列值通过散列运算定位到 Segment，最后通过散列算法定位到元素。get 的高效在于不需要加锁，除非读到空值才会加锁重读。get 方法中将共享变量定义为 volatile，在 get 操作里只需要读所以不用加锁。
put 必须加锁，首先定位到 Segment，然后进行插入操作，第一步判断是否需要对 Segment 里的 HashEntry 数组进行扩容，第二步定位添加元素的位置，然后将其放入数组。
size 操作用于统计元素的数量，必须统计每个 Segment 的大小然后求和，在统计结果累加的过程中，之前累加过的 count 变化几率很小，因此先尝试两次通过不加锁的方式统计结果，如果统计过程中容器大小发生了变化，再加锁统计所有 Segment 大小。判断容器是否发生变化根据 modCount 确定。

Q10：JDK8 的 ConcurrentHashMap 原理？

主要对 JDK7 做了三点改造：
① 取消分段锁机制，进一步降低冲突概率。
② 引入红黑树结构，同一个哈希槽上的元素个数超过一定阈值后，单向链表改为红黑树结构。
③ 使用了更加优化的方式统计集合内的元素数量。具体优化表现在：在 put、resize 和 size 方法中设计元素总数的更新和计算都避免了锁，使用 CAS 代替。
get 同样不需要同步，put 操作时如果没有出现哈希冲突，就使用 CAS 添加元素，否则使用 synchronized 加锁添加元素。
当某个槽内的元素个数达到 7 且 table 容量不小于 64 时，链表转为红黑树。当某个槽内的元素减少到 6 时，由红黑树重新转为链表。在转化过程中，使用同步块锁住当前槽的首元素，防止其他线程对当前槽进行增删改操作，转化完成后利用 CAS 替换原有链表。由于 TreeNode 节点也存储了 next 引用，因此红黑树转为链表很简单，只需从 first 元素开始遍历所有节点，并把节点从 TreeNode 转为 Node 类型即可，当构造好新链表后同样用 CAS 替换红黑树。

Q11：ArrayList 的线程安全集合是什么？

可以使用 CopyOnWriteArrayList 代替 ArrayList，它实现了读写分离。写操作复制一个新的集合，在新集合内添加或删除元素，修改完成后再将原集合的引用指向新集合。这样做的好处是可以高并发地进行读写操作而不需要加锁，因为当前集合不会添加任何元素。使用时注意尽量设置容量初始值，并且可以使用批量添加或删除，避免多次扩容，比如只增加一个元素却复制整个集合。
适合读多写少，单个添加时效率极低。CopyOnWriteArrayList 是 fail-safe 的，并发包的集合都是这种机制，fail-safe 在安全的副本上遍历，集合修改与副本遍历没有任何关系，缺点是无法读取最新数据。这也是 CAP 理论中 C 和 A 的矛盾，即一致性与可用性的矛盾。