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.

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.