В чём заключается разница между IO и NIO?

• Java IO (input-output) является потокоориентированным, а Java NIO (new/non-blocking io) – буфер-ориентированным. Потокоориентированный ввод/вывод подразумевает чтение/запись из потока/в поток одного или нескольких байт в единицу времени поочередно. Данная информация нигде не кэшируются. Таким образом, невозможно произвольно двигаться по потоку данных вперед или назад. В Java NIO данные сначала считываются в буфер, что дает больше гибкости при обработке данных.
• Потоки ввода/вывода в Java IO являются блокирующими. Это значит, что когда в потоке выполнения вызывается read() или write() метод любого класса из пакета java.io.*, происходит блокировка до тех пор, пока данные не будут считаны или записаны. Поток выполнения в данный момент не может делать ничего другого. Неблокирующий режим Java NIO позволяет запрашивать считанные данные из канала (channel) и получать только то, что доступно на данный момент, или вообще ничего, если доступных данных пока нет. Вместо того, чтобы оставаться заблокированным пока данные не станут доступными для считывания, поток выполнения может заняться чем-то другим. Тоже самое справедливо и для неблокирующего вывода. Поток выполнения может запросить запись в канал некоторых данных, но не дожидаться при этом пока они не будут полностью записаны.
• В Java NIO имеются селекторы, которые позволяют одному потоку выполнения мониторить несколько каналов ввода. Т.е. существует возможность зарегистрировать несколько каналов с селектором, а потом использовать один поток выполнения для обслуживания каналов, имеющих доступные для обработки данные, или для выбора каналов, готовых для записи.

Что такое «каналы»?

Каналы (channels) – это логические (не физические) порталы, абстракции объектов более низкого уровня файловой системы (например, отображенные в памяти файлы и блокировки файлов), через которые осуществляется ввод/вывод данных, а буферы являются источниками или приёмниками этих переданных данных. При организации вывода, данные, которые необходимо отправить, помещаются в буфер, который затем передается в канал. При вводе, данные из канала помещаются в заранее предоставленный буфер.

Каналы напоминают трубопроводы, по которым эффективно транспортируются данные между буферами байтов и сущностями по ту сторону каналов. Каналы – это шлюзы, которые позволяют получить доступ к сервисам ввода/вывода операционной системы с минимальными накладными расходами, а буферы – внутренние конечные точки этих шлюзов, используемые для передачи и приема данных.

Что будет, если очередь пула потоков уже заполнена, но подаётся новая задача?

Если очередь пула потоков заполнилась, то поданная задача будет «отклонена». Например - метод submit() у ThreadPoolExecutor выкидывает RejectedExecutionException, после которого вызывается RejectedExecutionHandler.

В чём заключается различие между методами submit() и execute() у пула потоков?

Оба метода являются способами подачи задачи в пул потоков, но между ними есть небольшая разница.

execute(Runnable command) определён в интерфейсе Executor и выполняет поданную задачу и ничего не возвращает.

submit() – перегруженный метод, определённый в интерфейсе ExecutorService. Способен принимать задачи типов Runnable и Callable и возвращать объект Future, который можно использовать для контроля и управления процессом выполнения, получения его результата.

В чем заключаются различия между cтеком (stack) и кучей (heap) с точки зрения многопоточности?

Cтек – участок памяти, тесно связанный с потоками. У каждого потока есть свой стек, которые хранит локальные переменные, параметры методов и стек вызовов. Переменная, хранящаяся в стеке одного потока, не видна для другого.

Куча – общий участок памяти, который делится между всеми потоками. Объекты, неважно локальные или любого другого уровня, создаются в куче. Для улучшения производительности, поток обычно кэширует значения из кучи в свой стек, в этом случае для того, чтобы указать потоку, что переменную следует читать из кучи используется ключевое слово volatile.

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.