多线程知识

多线程在笔试面试中经常出现，下面列出一些公司的多线程笔试面试题。首先是一些概念性的问答题，这些是多线程的基础知识，经常出现在面试中的第一轮面试（我参加2011年腾讯研究院实习生招聘时就被问到了几个概念性题目）。然后是一些选择题，这些一般在笔试时出现，虽然不是太难，但如果在选择题上花费大多时间无疑会对后面的编程题造成影响，因此必须迅速的解决掉。最后是综合题即难一些的问答题或是编程题。这种题目当然是最难解决了，要么会引来面试官的追问，要么就很容易考虑不周全，因此解决这类题目时一定要考虑全面和细致。


下面就来看看这三类题目吧。


一．概念性问答题
第一题：线程的基本概念、线程的基本状态及状态之间的关系？




第二题：线程与进程的区别？


    这个题目问到的概率相当大，计算机专业考研中也常常考到。要想全部答出比较难。


第三题：多线程有几种实现方法，都是什么？


   不论是那种方式，最后都需要通过Thread类的实例调用start()方法来开始线程的执行，start()方法通过java虚拟机调用线程中定义的run方法来执行该线程。通过查看java源程序中的start()方法的定义可以看到，它是通过调用操作系统的start0方法来实现多线程的操作的。


但是一般在系统的开发中遇到多线程的情况的时候，以实现Runnable接口的方式为主要方式。这是因为实现接口的方式有很多的优点：


1、就是通过继承Thread类的方式时，线程类就无法继承其他的类来实现其他一些功能，实现接口的方式就没有这中限制；


2.也是最重要的一点就是，通过实现Runnable接口的方式可以达到资源共享的效果。


但是其实两种方式是有密切联系的：


我们通过实现接口Runnable建立的MyThread类，而Thread类也是实现了Runnable接口的子类。如果我们想启动线程，需要通过Thread类中的start()方法，Thread类中的start()方法来调用MyThread类中run方法来执行该线程。这个实现是典型的代理模式。


java中实现多线程操作有两种方法：继承Thread类和实现Runnable接口


一、继承Thread类


//继承Thread类


class MyThread extends Thread {


private String name ;


public MyThread(String name) {


this.name = name;


}


public void run() {//覆写Thread类中的run方法


System.out.println("MyThread-->"+ name);


}


}


public class TestThread {


public static void main(String args[]) {


MyThread t1 = new MyThread("线程1");


MyThread t2 = new MyThread("线程2");


t1.start();//调用线程启动方法


t2.start();//调用线程启动方法


}


}


二、实现Runnable接口


class MyThread implements Runnable {


private String name ;


public MyThread(String name) {


this.name = name;


}


public void run() {//覆写Thread类中的run方法，这是线程的主体


System.out.println("MyThread-->"+ name);


}


}


public class TestThread {


MyThread t = new MyThread("线程");


new Thread(t).start();


new Thread(t).start();


}


第四题：多线程同步和互斥有几种实现方法，都是什么？ 


四种进程或线程同步互斥的控制方法
1、临界区:通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。 
2、互斥量:为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。 
3、信号量:为控制一个具有有限数量用户资源而设计。 
4、事 件:用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。
临界区（Critical Section）（同一个进程内，实现互斥）
保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到用原子方式操作共享资源的目的。
互斥量（Mutex）（可以跨进程，实现互斥）
互斥量跟临界区很相似，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。当前占据资源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出，以便其他线程在获得后得以访问资源。互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。 
互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。
信号量（Semaphores）（主要是实现同步，可以跨进程）
信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就会减1，只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目，不能在允许其他线程的进入，此时的信号量信号将无法发出
事件（Event）（实现同步，可以跨进程）
事件对象也可以通过通知操作的方式来保持线程的同步。并且可以实现不同进程中的线程同步操作。
 


第五题：多线程同步和互斥有何异同，在什么情况下分别使用他们？举例说明。
 
二．选择题
第一题（百度笔试题）：


以下多线程对int型变量x的操作，哪几个不需要进行同步： 
A. x=y;      B. x++;    C. ++x;    D. x=1;


第二题（阿里巴巴笔试题）


多线程中栈与堆是公有的还是私有的


A：栈公有, 堆私有


B：栈公有，堆公有


C：栈私有, 堆公有


D：栈私有，堆私有
同一进程中的线程究竟共享哪些资源
线程共享的环境包括：进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。
    进程拥有这许多共性的同时，还拥有自己的个性。有了这些个性，线程才能实现并发性。这些个性包括：


    1.线程ID
      每个线程都有自己的线程ID，这个ID在本进程中是唯一的。进程用此来标
   识线程。
    2.寄存器组的值
       由于线程间是并发运行的，每个线程有自己不同的运行线索，当从一个线
   程切换到另一个线程上时，必须将原有的线程的寄存器集合的状态保存，以便
   将来该线程在被重新切换到时能得以恢复。
    3.线程的堆栈
       堆栈是保证线程独立运行所必须的。
       线程函数可以调用函数，而被调用函数中又是可以层层嵌套的，所以线程
   必须拥有自己的函数堆栈，使得函数调用可以正常执行，不受其他线程的影
   响。


    4.错误返回码
       由于同一个进程中有很多个线程在同时运行，可能某个线程进行系统调用
   后设置了errno值，而在该线程还没有处理这个错误，另外一个线程就在此时
   被调度器投入运行，这样错误值就有可能被修改。
       所以，不同的线程应该拥有自己的错误返回码变量。


    5.线程的信号屏蔽码
       由于每个线程所感兴趣的信号不同，所以线程的信号屏蔽码应该由线程自
   己管理。但所有的线程都共享同样的信号处理器。


    6.线程的优先级
       由于线程需要像进程那样能够被调度，那么就必须要有可供调度使用的参
   数，这个参数就是线程的优先级。
涉及多线程程序涉及的时候经常会出现一些令人难以思议的事情，用堆和栈分配一个变量可能在以后的执行中产生意想不到的结果，而这个结果的表现就是内存的非法被访问，导致内存的内容被更改。 


　　理解这个现象的两个基本概念是：在一个进程的线程共享堆区，而进程中的线程各自维持自己堆栈。 


　　另一运行机制就是如果声明一个成员变量如 char Name[200]，随着这段代码调用的结束，Name在栈区的地址被释放，而如果是 char * Name = new char[200]; 情况则完全不同，除非显示调用delete否则 Name指向的地址不会被释放。 


　　在B中如果用栈区 即采用临时变量的机制分配声明V和堆区，而者的结果是不同的。如果用栈区，如果变量地址为Am1-Am2这么大，退出B调用时候这段地址被释放，C函数可能将这段内存改写；这样当D执行的时候，从内存Am1-Am2中读取的内容就是被改过的了。 


　　而如果用New（堆）分配，则不会出现那样的情况，因为没有显示对用delete并且堆对于线程共享，即2线程可以看到1线程在堆里分配的东西，所以不会发生误写。 


　　这个问题是笔者在公司实习的时候发现的，因为当时刚刚涉及多线程程序设计，操作系统中如此简单的话题困扰笔者很久，希望可以对初涉C++多线程的读者有所帮助！ 2）如果两个线程共享堆，而且都有可能执行内存分配和释放操作，就必须进行同步保护，这个和C类，R类，T类没有关系。你看到的例子两个线程应该是使用各自的堆。 


　　在 windows 等平台上，不同线程缺省使用同一个堆，所以用 C 的 malloc （或者 windows 的 GlobalAlloc）分配内存的时候是使用了同步保护的。如果没有同步保护，在两个线程同时执行内存操作的时候会产生竞争条件，可能导致堆内内存管理混乱。比如两个线程分配了统一块内存地址，空闲链表指针错误等。 


　　Symbian 的线程一般使用独立的堆空间。这样每个线程可以直接在自己的堆里分配和释放，可以减少同步所引入的开销。当线程退出的时候，系统直接回收线程的堆空间，线程内没有释放的内存空间也不会造成进程内的内存泄漏。 


　　但是两个线程使用共用堆的时候，就必须用 critical section 或者 mutex 进行同步保护。否则程序崩溃时早晚的事。如果你的线程需要在共用堆上无规则的分配和释放任何数量和类型的对象，可以定制一个自己的 allcator，在 allocator 内部使用同步保护。线程直接使用这个 allocator 分配内存就可以了。这相当于实现自己的 malloc，free。但是更建议你重新审查一下自己的系统，因为这种情况大多数是不必要的。经过良好的设计，线程的本地堆应该能够满足大多数对象的需求。如果有某一类对象需要在共享堆上创建和共享，这种需求是比较合理的，可以在这个类的 new 和 delete 上实现共享保护。 


三．综合题
第一题（台湾某杀毒软件公司面试题）：


在Windows编程中互斥量与临界区比较类似，请分析一下二者的主要区别。


 


第二题：


一个全局变量tally，两个线程并发执行（代码段都是ThreadProc)，问两个线程都结束后，tally取值范围。


inttally = 0;//glable


voidThreadProc()


{


       for(inti = 1; i <= 50; i++)


              tally += 1;


}


 


第三题（某培训机构的练习题）：


子线程循环 10 次，接着主线程循环 100 次，接着又回到子线程循环 10 次，接着再回到主线程又循环 100 次，如此循环50次，试写出代码。


 


第四题（迅雷笔试题）：


编写一个程序，开启3个线程，这3个线程的ID分别为A、B、C，每个线程将自己的ID在屏幕上打印10遍，要求输出结果必须按ABC的顺序显示；如：ABCABC….依次递推。


 


第五题（Google面试题）


有四个线程1、2、3、4。线程1的功能就是输出1，线程2的功能就是输出2，以此类推.........现在有四个文件ABCD。初始都为空。现要让四个文件呈如下格式：


A：1 2 3 4 1 2....


B：2 3 4 1 2 3....


C：3 4 1 2 3 4....


D：4 1 2 3 4 1....


请设计程序。


 


下面的第六题与第七题也是在考研中或是程序员和软件设计师认证考试中的热门试题。


第六题


生产者消费者问题


这是一个非常经典的多线程题目，题目大意如下：有一个生产者在生产产品，这些产品将提供给若干个消费者去消费，为了使生产者和消费者能并发执行，在两者之间设置一个有多个缓冲区的缓冲池，生产者将它生产的产品放入一个缓冲区中，消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费，所有生产者和消费者都是异步方式运行的，但它们必须保持同步，即不允许消费者到一个空的缓冲区中取产品，也不允许生产者向一个已经装满产品且尚未被取走的缓冲区中投放产品。


 


第七题


读者写者问题


这也是一个非常经典的多线程题目，题目大意如下：有一个写者很多读者，多个读者可以同时读文件，但写者在写文件时不允许有读者在读文件，同样有读者读时写者也不能写