Java多線程和并發面試題（附答案）1~3題

1、DeplayQueue延時無界阻塞隊列

在談到DelayQueue的使用和原理的時候，我們首先介紹一下DelayQueue，DelayQueue是一個無界阻塞隊列，只有在延遲期滿時才能從中提取元素。該隊列的頭部是延遲期滿后保存時間最長的Delayed元素。

DelayQueue阻塞隊列在我們系統開發中也常常會用到，例如：緩存系統的設計，緩存中的對象，超過了空閑時間，需要從緩存中移出；任務調度系統，能夠準確的把握任務的執行時間。我們可能需要通過線程處理很多時間上要求很嚴格的數據，如果使用普通的線程，我們就需要遍歷所有的對象，一個一個的檢查看數據是否過期等，首先這樣在執行上的效率不會太高，其次就是這種設計的風格也大大的影響了數據的精度。一個需要12：00點執行的任務可能12：01才執行，這樣對數據要求很高的系統有更大的弊端。由此我們可以使用DelayQueue。

下面將會對DelayQueue做一個介紹，然后舉個例子。并且提供一個Delayed接口的實現和Sample代碼。DelayQueue是一個BlockingQueue，其特化的參數是Delayed。（不了解BlockingQueue的同學，先去了解BlockingQueue再看本文）Delayed擴展了Comparable接口，比較的基準為延時的時間值，Delayed接口的實現類getDelay的返回值應為固定值（final）。DelayQueue內部是使用PriorityQueue實現的。

DelayQueue=BlockingQueue+PriorityQueue+Delayed

DelayQueue的關鍵元素BlockingQueue、PriorityQueue、Delayed。可以這么說，DelayQueue是一個使用優先隊列（PriorityQueue）實現的BlockingQueue，優先隊列的比較基準值是時間。

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 內部的實現使用了一個優先隊列。當調用 DelayQueue 的 offer 方法時，把 Delayed 對象加入到優先隊列 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，把優先隊列 q 的 first 拿出來（peek），如果沒有達到延時閥值，則進行 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 實例應用

Ps：為了具有調用行為，存放到 DelayDeque 的元素必須繼承 Delayed 接口。Delayed 接口使對象成為延遲對象，它使存放在 DelayQueue 類中的對象具有了激活日期。該接口強制執行下列兩個方法。

一下將使用 Delay 做一個緩存的實現。其中共包括三個類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 Delay 接口的實現：

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 的實現，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) {
                    // 超時對象處理
                    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);
    }
}

測試 main 方法：

// 測試入口函數
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);
    }
}

輸出結果為：

aaaa

null

我們看到上面的結果，如果超過延時的時間，那么緩存中數據就會自動丟失，獲得就為 null。

2、并發（Collection）隊列-非阻塞隊列

● 非阻塞隊列

首先我們要簡單的理解下什么是非阻塞隊列：

與阻塞隊列相反，非阻塞隊列的執行并不會被阻塞，無論是消費者的出隊，還是生產者的入隊。在底層，非阻塞隊列使用的是 CAS(compare and swap)來實現線程執行的非阻塞。

● 非阻塞隊列簡單操作

與阻塞隊列相同，非阻塞隊列中的常用方法，也是出隊和入隊。

● offer()：Queue 接口繼承下來的方法，實現隊列的入隊操作，不會阻礙線程的執行，插入成功返回 true； 出隊方法：

● poll()：移動頭結點指針，返回頭結點元素，并將頭結點元素出隊；隊列為空，則返回 null；

● peek()：移動頭結點指針，返回頭結點元素，并不會將頭結點元素出隊；隊列為空，則返回 null；

3、非阻塞算法CAS

首先我們需要了解悲觀鎖和樂觀鎖

悲觀鎖：假定并發環境是悲觀的，如果發生并發沖突，就會破壞一致性，所以要通過獨占鎖徹底禁止沖突發生。有一個經典比喻，“如果你不鎖門，那么搗蛋鬼就回闖入并搞得一團糟”，所以“你只能一次打開門放進一個人，才能時刻盯緊他”。

樂觀鎖：假定并發環境是樂觀的，即雖然會有并發沖突，但沖突可發現且不會造成損害，所以，可以不加任何保護，等發現并發沖突后再決定放棄操作還是重試。可類比的比喻為，“如果你不鎖門，那么雖然搗蛋鬼會闖入，但他們一旦打算破壞你就能知道”，所以“你大可以放進所有人，等發現他們想破壞的時候再做決定”。通常認為樂觀鎖的性能比悲觀所更高，特別是在某些復雜的場景。這主要由于悲觀鎖在加鎖的同時，也會把某些不會造成破壞的操作保護起來；而樂觀鎖的競爭則只發生在最小的并發沖突處，如果用悲觀鎖來理解，就是“鎖的粒度最小”。但樂觀鎖的設計往往比較復雜，因此，復雜場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。

樂觀鎖的實現往往需要硬件的支持，多數處理器都都實現了一個CAS指令，實現“Compare And Swap”的語義（這里的swap是“換入”，也就是set），構成了基本的樂觀鎖。CAS包含3個操作數：

需要讀寫的內存位置V

進行比較的值A

擬寫入的新值B

當且僅當位置V的值等于A時，CAS才會通過原子方式用新值B來更新位置V的值；否則不會執行任何操作。無論位置V的值是否等于A，都將返回V原有的值。一個有意思的事實是，“使用CAS控制并發”與“使用樂觀鎖”并不等價。CAS只是一種手段，既可以實現樂觀鎖，也可以實現悲觀鎖。樂觀、悲觀只是一種并發控制的策略。