技术指南：多线程面试题 - 上篇（线程基本概念 + 线程池）

多线程面试指南：入门

线程的基本概念

线程是进程中的执行单元，与进程共享相同的代码和数据空间，但拥有自己的执行栈和程序计数器。线程允许程序同时执行多个任务，从而提高效率和响应能力。

进程与线程的区别

特性	线程	进程
资源分配	与其他线程共享进程资源（如内存、文件）	拥有自己的资源
调度	由同一个进程中的其他线程调度	由操作系统调度
开销	创建和销毁成本较低	创建和销毁成本较高
独立性	无法独立于进程存在	独立于进程存在

线程的状态

• 新建 (New)：刚创建，尚未启动
• 可运行 (Runnable)：准备执行
• 运行 (Running)：正在执行
• 等待 (Waiting)：等待资源或事件
• 阻塞 (Blocked)：无法继续执行，直到满足特定条件
• 终止 (Terminated)：线程已完成执行或异常终止

线程池

线程池是一种管理线程生命周期和资源分配的机制。它预先创建一定数量的线程并将其放入池中，以满足应用程序的并发需求，避免频繁创建和销毁线程带来的开销。

线程池的优点

• 提高性能：避免频繁创建和销毁线程的开销。
• 减少资源消耗：线程池可以控制同时活动的线程数量，防止系统因线程过多而耗尽资源。
• 提高可伸缩性：通过动态调整线程池大小，可以适应不同负载的情况。

线程池的实现方式

• 有界队列：限制了可以同时进入池中的线程数量。
• 无界队列：允许无限数量的线程进入池中，但可能会导致资源耗尽。
• 工作窃取算法：允许线程从其他线程那里窃取任务，提高并行性。

锁

锁是一种同步机制，用于协调多个线程对共享资源的访问，防止同时修改造成数据不一致。

锁的类型

• 互斥锁 (Mutex)：保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源。
• 读写锁：允许多个线程同时读取共享资源，但仅允许一个线程写入。
• 条件变量：用于线程之间的等待和唤醒。

同步

同步是一种机制，用于确保多个线程对共享资源的访问是有序且协调的。

同步方法

• 锁：使用锁可以防止多个线程同时访问共享资源。
• 信号量：限制同时可以访问共享资源的线程数量。
• 屏障：确保所有线程都到达某个点后才能继续执行。

通信

线程间通信可以通过以下方式实现：

• 共享内存：使用全局变量或数据结构在不同线程之间共享数据。
• 消息传递：使用消息队列或管道的消息传递机制进行通信。
• 信号：使用信号和事件等机制通知线程某些事件已经发生。

并发

并发是指多个计算任务同时执行，但它们并不一定在同一个时间点执行。

并发与并行的区别

• 并发：多个任务同时执行，但不一定同时发生。
• 并行：多个任务真正同时发生，需要多核 CPU 或多处理器。

并发编程的挑战

• 数据竞争：多个线程同时访问共享资源，可能导致数据不一致。
• 死锁：线程因资源依赖而无限等待，导致系统瘫痪。
• 饥饿：某些线程长期无法获得资源，导致其无法执行。

常见问题解答

1. 什么是轻量级进程 (LWP)？
   LWP是一种线程实现，它与内核线程不同，不会映射到操作系统级线程。LWP更轻量级，创建和销毁成本更低。
2. 什么是线程局部存储 (TLS)？
   TLS是每个线程都可以访问的私有存储区域。它允许线程存储自己的数据，而不必担心其他线程访问它。
3. 如何避免死锁？
   避免死锁的一个策略是使用死锁检测和恢复机制。另一个策略是确保线程按照相同的顺序获取资源。
4. 为什么线程池比手动创建和销毁线程更好？
   线程池提供了性能、资源管理和可伸缩性优势。
5. 如何在多核处理器上优化多线程应用程序？
   可以调整线程池大小，以利用处理器的内核数量。还需要小心管理线程同步，以避免性能瓶颈。