java鎖的問題速通

天启A發表於2024-10-19
Java

1.syncronized底層原理——悲觀鎖

synchronized有物件鎖和類鎖兩種，多個執行緒中只有一個執行緒可以獲取物件鎖，其他執行緒都會處於阻塞狀態

synchronized是底層是基於monitor實現的。monitor是C++編寫的jvm物件，主要分為owner（這個只會存一個執行緒的資訊，記錄當前鎖被哪個執行緒獲取了）、entrySet（這個是一個佇列，記錄沒有搶到鎖的執行緒，他們都是處於block狀態的）、waitSet（記錄呼叫了wait方法的執行緒）

monitor屬於重量級鎖，在jdk1.6之後又引入了偏向鎖和輕量級鎖

（更難的聽不懂了，涉及JVM）

2.談談JMM（java memory model）java記憶體模型

JMM定義共享記憶體中，多執行緒程式的讀寫規範。JMM把記憶體分為工作記憶體和主記憶體；執行緒和執行緒之間是隔離的，但是可以透過執行緒1把訊息從工作記憶體傳送給主記憶體，再由主記憶體把訊息推送給執行緒2，實現執行緒之間的互動

個人理解工作記憶體≈棧記憶體Stack，而主記憶體≈堆記憶體Heap

3.談談CAS（compare and swap）——樂觀鎖 | 自旋鎖

cas是一種樂觀鎖思想，在無鎖情況下保證執行緒操作共享資料的原子性。

java中的cas是基於作業系統的cas實現的，屬於native方法；工作記憶體從主記憶體讀取到的資料，我們需要把舊資料修改。當要修改時我們會再次比對工作記憶體的舊資料和主記憶體的資料，如果一致，那麼就可以修改；如果不一致，那就要發生自旋：工作記憶體再次去主記憶體讀取資料並重覆上述方法。

在鎖競爭不激烈的情況下cas是比synchronized效率要好的

4.樂觀鎖和悲觀鎖的區別

樂觀鎖允許別的執行緒修改變數，如果別的執行緒修改了變數那就自旋

悲觀鎖不允許別的執行緒修改變數，每次上鎖的時候別的執行緒都會阻塞

5.關鍵字volatile

可見性：線上程中使用volatile修飾共享變數，可以防止編譯器最佳化的發生。

下述例子中，下方的執行緒while(flag)被JIT（即時編譯器）最佳化為了while(true)，從而導致上面的執行緒修改flag下面的執行緒卻讀不到結果，這時我們可以給flag新增volatile來阻止編譯器最佳化

static boolean flag=true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            flag=false;
            System.out.println(flag+"已經修改");
        }).start();
        new Thread(()->{
            int i=0;
            while (flag){
                i++;
            }
            System.out.println(flag+"_"+i);
        }).start();
    }

禁止指令重排序：阻止一些讀寫操作越過屏障發生一些意外問題（寫是防止當前指令越過上方指令，讀是防止當前指令越過下方指令）

6.什麼是AQS

AQS是抽象佇列同步器，與synchronized不同的是他是由java實現的，並且鎖激烈競爭的情況下有多種解決方案而不是像synchronized一樣只有重量級鎖

透過volatile保證state的可見性，然後當某一執行緒持有state後改變其數值，後續等待執行緒進入佇列，依據佇列完成排隊

如何保證原子性：利用CAS在搶state時保證原子性

7.什麼是公平鎖：

新來的執行緒和佇列中等待的執行緒爭搶鎖資源

非公平鎖：

新來的執行緒只能進入佇列的tail，只有佇列的head能獲取鎖資源

注意，一般情況下公平鎖的效率沒有非公平鎖高，公平鎖的吞吐量較低

8.ReentrantLock可重入鎖的原理

reentrantLock是基於AQS佇列+CAS實現的，有無參建構函式和是否使用公平鎖的建構函式，其中無參情況下預設是false

9.synchronized和lock的區別

  • 語法上：synchronized是關鍵字，底層由C++實現，來自jvm；lock是介面，底層java原生，來自jdk。
  • 功能上：都是悲觀鎖，互斥同步；lock有比synchronized更豐富的功能，lock除了正常鎖以外還有公平鎖，可打斷鎖，超時鎖，多條件鎖（這個類似於await和notify），並且讀寫鎖就是是lock。但是synchronized在退出程式碼塊後會自動釋放，而lock需要手動呼叫unlock來釋放鎖。
  • 效能上：競爭不激烈的時候synchronized因為有偏向鎖和輕量級鎖優於lock，在競爭激烈的情況下lock具有更好的效能

10.死鎖的產生條件

一個執行緒同時獲取多把鎖

如何檢查死鎖的發生：

  • 先用jps檢視當前程序，程序裡如果有死鎖會顯示xxx執行緒為deadlock，再用jstack檢視詳細資訊
  • 在jdk目錄中找jconsole，此時能選擇你在jps裡檢視的所有程序

11.講講concurrentHashMap

JDK1.7使用segment陣列+hashmap實現了concurrenthashmap；透過對key的hash計算找到對應的segment陣列，然後透過reentrantLock鎖住具體的segment陣列，高併發的時候會透過CAS自旋鎖來保證資料安全，然後再透過hash定位具體位置。劣勢就是多個key如果hash相同的話他們就會阻塞。segment陣列不能進行擴容，這也導致1.7的concurrenthashmap的效能不好

JDK1.8版本下采用CAS和synchronized對HashMap進行了增強。

利用CAS來控制擴容的實現，為頭結點上鎖，暫停其他執行緒的put操作，避免了多執行緒的插入衝突；在空位置新增節點時，也會採用CAS確保併發下能插入成功

synchronized只鎖連結串列或者紅黑樹的首節點，保證陣列節點只能被一個執行緒修改，降低了鎖的顆粒度並且只要hash不衝突就不會有效率問題；在擴容時透過synchronized保證了資料遷移的一致性和完整性

12.java如何保證多執行緒的執行安全

原子性：一個執行緒在CPU中的操作是不可暫停的，是無法中斷的。這裡我們是透過鎖解決，保證資料正確

可見性：一個執行緒對共享變數的修改對另一個執行緒可見。這裡我們使用volatile保證可見性

有序性：處理器為了提高程式執行效率，對輸入程式碼進行最佳化，不能保證程式中各個語句的執行順序同程式碼中的順序一致，但是能保證程式最終執行結果和程式碼順序執行的結果一致。這裡我們使用volatile保證有序性

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