Что такое ThreadLocal-переменная?

ThreadLocal - класс, позволяющий имея одну переменную, иметь различное её значение для каждого из потоков.

У каждого потока - т.е. экземпляра класса Thread - есть ассоциированная с ним таблица ThreadLocal-переменных. Ключами таблицы являются cсылки на объекты класса ThreadLocal, а значениями - ссылки на объекты, «захваченные» ThreadLocal-переменными, т.е. ThreadLocal-переменные отличаются от обычных переменных тем, что у каждого потока свой собственный, индивидуально инициализируемый экземпляр переменной. Доступ к значению можно получить через методы get() или set().

Например, если мы объявим ThreadLocal-переменную: ThreadLocal<Object> locals = new ThreadLocal<Object>();. А затем, в потоке, сделаем locals.set(myObject), то ключом таблицы будет ссылка на объект locals, а значением - ссылка на объект myObject. При этом для другого потока существует возможность «положить» внутрь locals другое значение.

Следует обратить внимание, что ThreadLocal изолирует именно ссылки на объекты, а не сами объекты. Если изолированные внутри потоков ссылки ведут на один и тот же объект, то возможны коллизии.

Так же важно отметить, что т.к. ThreadLocal-переменные изолированы в потоках, то инициализация такой переменной должна происходить в том же потоке, в котором она будет использоваться. Ошибкой является инициализация такой переменной (вызов метода set()) в главном потоке приложения, потому как в данном случае значение, переданное в методе set(), будет «захвачено» для главного потока, и при вызове метода get() в целевом потоке будет возвращен null.

Что такое «фреймворк Fork/Join»?

Фреймворк Fork/Join, представленный в JDK 7, - это набор классов и интерфейсов позволяющих использовать преимущества многопроцессорной архитектуры современных компьютеров. Он разработан для выполнения задач, которые можно рекурсивно разбить на маленькие подзадачи, которые можно решать параллельно.

• Этап Fork: большая задача разделяется на несколько меньших подзадач, которые в свою очередь также разбиваются на меньшие. И так до тех пор, пока задача не становится тривиальной и решаемой последовательным способом.
• Этап Join: далее (опционально) идёт процесс «свёртки» - решения подзадач некоторым образом объединяются пока не получится решение всей задачи.
Решение всех подзадач (в т.ч. и само разбиение на подзадачи) происходит параллельно.

Для решения некоторых задач этап Join не требуется. Например, для параллельного QuickSort — массив рекурсивно делится на всё меньшие и меньшие диапазоны, пока не вырождается в тривиальный случай из 1 элемента. Хотя в некотором смысле Join будет необходим и тут, т.к. всё равно остаётся необходимость дождаться пока не закончится выполнение всех подзадач.

Ещё одно замечательное преимущество этого фреймворка заключается в том, что он использует work-stealing алгоритм: потоки, которые завершили выполнение собственных подзадач, могут «украсть» подзадачи у других потоков, которые всё ещё заняты.

Что такое Semaphore?

Semaphore – это тип синхронизатора: семафор со счётчиком, реализующий шаблон синхронизации Семафор. Доступ управляется с помощью счётчика: изначальное значение счётчика задаётся в конструкторе при создании синхронизатора, когда поток заходит в заданный блок кода, то значение счётчика уменьшается на единицу, когда поток его покидает, то увеличивается. Если значение счётчика равно нулю, то текущий поток блокируется, пока кто-нибудь не выйдет из защищаемого блока. Semaphore используется для защиты дорогих ресурсов, которые доступны в ограниченном количестве, например подключение к базе данных в пуле.

Чем полезны неизменяемые объекты?

Неизменяемость (immutability) помогает облегчить написание многопоточного кода. Неизменяемый объект может быть использован без какой-либо синхронизации. К сожалению, в Java нет аннотации @Immutable, которая делает объект неизменяемым, для этого разработчикам нужно самим создавать класс с необходимыми характеристиками. Для этого необходимо следовать некоторым общим принципам: инициализация всех полей только в конструкторе, отсутствие методов setX() вносящих изменения в поля класса, отсутствие утечек ссылки, организация отдельного хранилища копий изменяемых объектов и т.д.

Что такое busy spin?

busy spin – это техника, которую программисты используют, чтобы заставить поток ожидать при определённом условии. В отличие от традиционных методов wait(), sleep() или yield(), которые подразумевают уступку процессорного времени, этот метод вместо уступки выполняет пустой цикл. Это необходимо, для того, чтобы сохранить кэш процессора, т.к. в многоядерных системах, существует вероятность, что приостановленный поток продолжит своё выполнение уже на другом ядре, а это повлечет за собой перестройку состояния процессорного кэша, которая является достаточно затратной процедурой.

Перечислите принципы, которым вы следуете в многопоточном программировании?

При написании многопоточных программ следует придерживаться определённых правил, которые помогают обеспечить достойную производительность приложения в сочетании с удобной отладкой и простотой дальнейшей поддержки кода.

• Всегда давайте значимые имена своим потокам. Процесс отладки, нахождения ошибок или отслеживание исключения в многопоточном коде – довольно сложная задача. OrderProcessor, QuoteProcessor или TradeProcessor намного информативнее, чем Thread1, Thread2 и Thread3. Имя должно отражать задачу, выполняемую данным потоком.
• Избегайте блокировок или старайтесь уменьшить масштабы синхронизации. Блокировка затратна, а переключение контекста ещё более ресурсоёмко. Пытайтесь избегать синхронизации и блокировки насколько это возможно, и организуйте критическую секцию в минимально необходимом объёме. Поэтому синхронизированный блок всегда предпочительней синхронизированного метода, дополнительно наделяя возможностью абсолютного контроля над масштабом блокировки.
• Обрабатывайте прерывание потока с особой тщательностью. Нет ничего хуже оставшегося заблокированным ресурса или системы в неконстистентном, по причине неподтверждённой транзакции, состоянии.
• Помните об обработке исключений. Выброшенные InterruptedException должны быть адекватно обработаны, а не просто подавлены. Так же не стоит пренебрегать Thread.UncaughtExceptionHandler. При использовании пула потоков необходимо помнить, что он зачастую просто «проглатывает» исключения. Так, если вы отправили на выполнение Runnable нужно обязательно поместить код выполнения задачи внутрь блока try-catch. Если в очередь пула помещается Callable, необходимо удостоверится, что результат выполнения всегда изымается помощью блокирующего get(), чтобы в случае возникновения существовала возможнотсь заново выбросить произошедшее исключение.
• Между синхронизаторами и wait() и notify() следует выбирать синхронизаторы. Во-первых, синхронизаторы, типа CountDownLatch, Semaphore, CyclicBarrier или Exchanger упрощают написание кода. Очень сложно реализовывать комплексный управляющий поток, используя wait() и notify(). Во-вторых, эти классы написаны и поддерживаются настоящими мастерами своего дела и есть шанс, что в последующих версиях JDK они будут оптимизированы изнутри или заменены более производительной внешней реализацией.
• Почти всегда использование Concurrent сollection выгоднее использования Synchronized сollection, т.к. первые более современны (используют все доступные на момент их написания новшества языка) и масштабируемы, чем их синхронизированые аналоги.

Какое из следующих утверждений о потоках неверно?

1. Если метод start() вызывается дважды для одного и того же объекта Thread, во время выполнения генерируется исключение.
2. Порядок, в котором запускались потоки, может не совпадать с порядком их фактического выполнения.
3. Если метод run() вызывается напрямую для объекта Thread, во время выполнения генерируется исключение.
4. Если метод sleep() вызывается для потока, во время выполнения синхронизированного кода, блокировка не снимается.

Правильный ответ: 3. Если метод run() вызывается напрямую для объекта Thread, во время выполнения исключение не генерируется. Однако, код, написанный в методе run() будет выполняться текущим, а не новым потоком. Таким образом, правильный способ запустить поток – это вызов метода start(), который приводит к выполнению метода run() новым потоком.

Вызов метода start() дважды для одного и того же объекта Thread приведёт к генерированию исключения IllegalThreadStateException во время выполнения, следовательно, утверждение 1 верно. Утверждение 2 верно, так как порядок, в котором выполняются потоки, определяется Планировщиком потоков, независимо от того, какой поток запущен первым. Утверждение 4 верно, так как поток не освободит блокировки, которые он держит, когда он переходит в состояние Ожидания.