java多线程和并发面试题目（1~3题，附答案）[java面试题]
1、DeplayQueue延时无界阻塞队列
在谈到DelayQueue的使用和原理的时候，我们首先介绍一下DelayQueue，DelayQueue是一个无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的Delayed元素。 （推荐学习：java面试题目）
DelayQueue阻塞队列在我们系统开发中也常常会用到，例如：缓存系统的设计，缓存中的对象，超过了空闲时间，需要从缓存中移出；任务调度系统，能够准确的把握任务的执行时间。我们可能需要通过线程处理很多时间上要求很严格的数据。
如果使用普通的线程，我们就需要遍历所有的对象，一个一个的检查看数据是否过期等，首先这样在执行上的效率不会太高，其次就是这种设计的风格也大大的影响了数据的精度。一个需要12：00点执行的任务可能12：01才执行，这样对数据要求很高的系统有更大的弊端。由此我们可以使用DelayQueue。
下面将会对DelayQueue做一个介绍，然后举个例子。并且提供一个Delayed接口的实现和Sample代码。DelayQueue是一个BlockingQueue，其特化的参数是Delayed。
（不了解BlockingQueue的同学，先去了解BlockingQueue再看本文）Delayed扩展了Comparable接口，比较的基准为延时的时间值，Delayed接口的实现类getDelay的返回值应为固定值（final）。DelayQueue内部是使用PriorityQueue实现的。
DelayQueue=BlockingQueue+PriorityQueue+Delayed
DelayQueue的关键元素BlockingQueue、PriorityQueue、Delayed。可以这么说，DelayQueue是一个使用优先队列（PriorityQueue）实现的BlockingQueue，优先队列的比较基准值是时间。
他们的基本定义如下
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 内部的实现使用了一个优先队列。当调用 DelayQueue 的 offer 方法时，把 Delayed 对象加入到优先队列 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，把优先队列 q 的 first 拿出来（peek），如果没有达到延时阀值，则进行 await处理。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 实例应用
Ps：为了具有调用行为，存放到 DelayDeque 的元素必须继承 Delayed 接口。Delayed 接口使对象成为延迟对象，它使存放在 DelayQueue 类中的对象具有了激活日期。该接口强制执行下列两个方法。
以下将使用 Delay 做一个缓存的实现。其中共包括三个类Pair、DelayItem、Cache
Pair 类：
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;
}
}以下是对 Delay 接口的实现：
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 的实现，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) {
// 超时对象处理
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.");
}
// 添加缓存对象
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);
}
}测试 main 方法：
// 测试入口函数
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);
}
}输出结果为：
aaaa null
我们看到上面的结果，如果超过延时的时间，那么缓存中数据就会自动丢失，获得就为 null。
2、并发（Collection）队列-非阻塞队列
非阻塞队列
首先我们要简单的理解下什么是非阻塞队列：
与阻塞队列相反，非阻塞队列的执行并不会被阻塞，无论是消费者的出队，还是生产者的入队。在底层，非阻塞队列使用的是 CAS(compare and swap)来实现线程执行的非阻塞。
非阻塞队列简单操作
与阻塞队列相同，非阻塞队列中的常用方法，也是出队和入队。
offer()：Queue 接口继承下来的方法，实现队列的入队操作，不会阻碍线程的执行，插入成功返回 true； 出队方法：
poll()：移动头结点指针，返回头结点元素，并将头结点元素出队；队列为空，则返回 null；
peek()：移动头结点指针，返回头结点元素，并不会将头结点元素出队；队列为空，则返回 null；
3、非阻塞算法CAS
首先我们需要了解悲观锁和乐观锁
悲观锁：假定并发环境是悲观的，如果发生并发冲突，就会破坏一致性，所以要通过独占锁彻底禁止冲突发生。有一个经典比喻，“如果你不锁门，那么捣蛋鬼就回闯入并搞得一团糟”，所以“你只能一次打开门放进一个人，才能时刻盯紧他”。
乐观锁：假定并发环境是乐观的，即虽然会有并发冲突，但冲突可发现且不会造成损害，所以，可以不加任何保护，等发现并发冲突后再决定放弃操作还是重试。可类比的比喻为，“如果你不锁门，那么虽然捣蛋鬼会闯入，但他们一旦打算破坏你就能知道”，所以“你大可以放进所有人，等发现他们想破坏的时候再做决定”。
通常认为乐观锁的性能比悲观所更高，特别是在某些复杂的场景。这主要由于悲观锁在加锁的同时，也会把某些不会造成破坏的操作保护起来；而乐观锁的竞争则只发生在最小的并发冲突处，如果用悲观锁来理解，就是“锁的粒度最小”。但乐观锁的设计往往比较复杂，因此，复杂场景下还是多用悲观锁。首先保证正确性，有必要的话，再去追求性能。
乐观锁的实现往往需要硬件的支持，多数处理器都都实现了一个CAS指令，实现“Compare And Swap”的语义（这里的swap是“换入”，也就是set），构成了基本的乐观锁。CAS包含3个操作数：
需要读写的内存位置V
进行比较的值A
拟写入的新值B
当且仅当位置V的值等于A时，CAS才会通过原子方式用新值B来更新位置V的值；否则不会执行任何操作。无论位置V的值是否等于A，都将返回V原有的值。一个有意思的事实是，“使用CAS控制并发”与“使用乐观锁”并不等价。CAS只是一种手段，既可以实现乐观锁，也可以实现悲观锁。乐观、悲观只是一种并发控制的策略。
